螺杆泵作为一种性能优良的容积式泵,因其效率高、脉动小、平稳可靠、能进行多相混输、噪声低等优点广泛应用于石油化工、船舶、海洋工程、能源、食品工业等领域。随着高效精密加工技术的不断进步,螺杆泵性能有了大幅提高,加工成本也逐渐降低,其应用领域迅速扩展,已经成为许多高端装备中的一种关键基础件和核心部件,人们对高性能螺杆泵的需求也大幅提升。近三十年来,国内外有关螺杆泵流场特性和性能特性的理论与实验研究也逐渐增多,学者们对螺杆泵的工作过程模拟、优化设计进行了持续而深入的研究。然而,由于螺杆泵工作过程中工作腔复杂的几何结构和高速持续变化的特点,其工作过程和流场特性难以实现精确的三维数值模拟,目前的研究方法主要是采用简化的一维模型进行分析,然而,一维模型难以获得螺杆泵的瞬态流场特性和泄露特性,难以考察泵腔几何形状对泵性能的影响,也难以捕捉和描述泵的空化特性。因此,导致对螺杆泵的内部工作机理认识不深入,难以实现高性能螺杆泵的精确设计和优化。本文以螺杆泵的三维流场为研究对象,利用流体动力学、动网格技术、啮合理论、微分几何学、多相流理论、空泡动力学理论、数值方法等,深入分析泵腔三维瞬态流场特性,研究探讨其内部工作机理及其性能影响因素。首先对螺杆泵的工作过程进行理论分析,建立了螺杆泵的一维腔体模型,对螺杆泵的质量和能量的变化和守恒关系进行了数学描述,并对螺杆泵的泄漏和边界条件进行了分析。建立了螺杆泵泵腔流场的CFD数值计算模型,阐述了一种针对螺杆转子附近流体域网格划分的保形映射的动网格生成方法。为了精确模拟螺杆泵工作过程中的瞬态特性,基于结构化动网格和自定义的网格读取和更新程序,对螺杆泵进行了全三维CFD瞬态流场数值模拟,获得了不同转速和不同出口压力下的螺杆泵的内部流场特性以及泵的性能特性,通过与实验数据的对比分析,验证了该计算模型的可行性和准确性。在此基础上,依次分析了螺杆泵进出口几何结构、螺杆转子滑动轴承的摩擦功率损失、螺杆转子间隙以及工作介质粘度等对泵性能的影响规律,还讨论了不同湍流模型的选取对泵性能预测的影响。通常螺杆转子齿形型线的设计仅能考虑到其几何特性和啮合特性,而无法考察其对应的泵性能。由于基于结构化动网格的全三维CFD数值模拟能够获得螺杆泵的瞬态特性,为了精确设计和评价螺杆泵转子齿形型线,本文将全三维CFD数值模拟与螺杆转子齿形型线几何设计结合起来,针对典型的2-3齿形的螺杆转子型线设计,通过对比分析,获得了不同转子型线所对应的瞬态性能特征,为螺杆转子型线的精密设计和优化提供了新的参考依据和评价标准。随着螺杆泵向着高速、高压、大流量、低噪声的方向发展,泵的空化现象不容忽视。在空化发生的过程中,伴随着大量气泡的初生、膨胀和溃灭,会导致强烈的空化噪声和冲击振动,并且会对螺杆转子造成空蚀破坏。一直以来,由于螺杆泵工作过程、几何特征的复杂性以及网格技术的局限性,难以对其中的空化现象进行捕捉和描述。本文采用动网格、VOF模型和空化模型相结合的方法对螺杆泵空化流场进行数值模拟,获得了不同工况下泵腔空化强度和空化分布区域的动态变化规律,并对间隙空化形成机理进行了分析。为螺杆泵的空化抑制提供了理论基础。鉴于目前有大量的研究都采用基于静网格的CFD数值模拟对螺杆流场进行分析,该计算方法虽然操作简便、易于收敛,却忽略了流体在泵腔运动时的动量,本文对比分析了采用结构化动网格和结构化静网格两种数值模拟方法对螺杆泵性能计算的差别,并在静网格和转动边界的基础上提出一种基于动量补偿的CFD模拟方法,提高了计算的准确性,该方法能为难以生成动网格的异形螺杆的流场特性分析和泵性能分析提供有力帮助。以上工作加深了对螺杆泵三维瞬态流场和空化流场的理解和认识,也为高性能螺杆泵的设计和优化提供了技术和理论参考。