轴流泵属于高比转速叶片泵,具有大流量和低扬程的特点,在南水北调、给水排水工程、农田灌溉和电厂循环水工程等方面有着广泛的应用。在轴流泵的实际使用过程中,小流量工况存在运行不稳定的马鞍区,此时叶轮叶片产生旋涡、脱流,水力性能急剧下降,泵的振动、噪声明显加剧,严重影响轴流泵的运行稳定性。因此,探讨轴流泵在小流量运行时的内部流动机理,认识轴流泵在马鞍区流动紊乱产生的根源,消除或减弱轴流泵运行不稳定的马鞍区,有着重要的理论与经济意义。本文通过理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法,探究了流体质点曲线运动的特性,揭示了流体质点曲线运动产生流动分离的机理,在此基础上,分析了轴流泵叶轮内的流动状态及流动分离特性,结合流体质点曲线运动特性的流动分离控制机理,优化了轴流泵叶片,改善了轴流泵小流量工况运行不稳定的状态。本文主要的研究工作如下:(1)研究了质点曲线运动特性,揭示了向心力是维持质点曲线运动的必要条件,结合流体本身性质的特殊性,研究了流体质点所需向心力的来源,探明了离心力和向心力平衡的重要性;(2)基于流体质点曲线运动特性,以典型的流动分离现象:圆柱绕流为研究对象,重新揭示其本质规律;并揭示发生流动分离的普适性规律:当流体质点沿物体表面运动的向心力小于离心力时,流体质点脱离物体表面,发生流动分离;进而揭示控制流动分离方法的新的普适性机理:采取有针对性的方法,维持向心力和离心力的平衡;(3)基于流体质点曲线运动特性的流动分离机理,揭示了现行轴流泵马鞍区机理:小流量时流体质点射向叶片压力面(凹侧),此时叶片吸力面(凸面)无法提供给流体质点足够大的向心力,流体质点极容易失去向心力和离心力的平衡,从而在叶片吸力面(凸面)发生严重的流动分离现象,产生轴流泵马鞍区。以轴流泵模型进行外特性实验及数值模拟,分析了不同工况下模型泵的内流场。通过改变叶片进口安放角,发现轴流泵的马鞍区逐渐改善,甚至完全消除,初步验证了轴流泵马鞍区机理的正确性;(4)基于流体质点曲线运动特性的流动分离机理揭示的轴流泵马鞍区机理,结合流体质点曲线运动特性的流动分离控制方法,为改善轴流泵马鞍区的流动状态,以叶片凹凸方向作为改型变量,设计出叶片骨线为直线和叶片骨线为凹侧的两种改型泵,利用数值模拟的方法,以轴流泵扬程为目标函数,选取改型效果最佳的改型泵,研究了轴流泵改型后的流动状态,初步验证了叶片骨线凹凸方向的改变对轴流泵马鞍区有较明显的改善作用。本文的创新点主要可以归纳为以下几点:研究了流体质点曲线运动特性,流体质点曲线运动不仅要考虑速度大小的变化,还应充分考虑曲线运动的速度方向变化;从流体质点曲线运动离心力与向心力是否平衡等方面着手,研究圆柱绕流本质规律,并揭示发生流动分离的普适性规律及控制流动分离方法的新普适性机理;基于流体质点曲线运动特性的流动分离及其控制方法,揭示了轴流泵马鞍区机理;进而对轴流泵叶片进行改型,改善了轴流泵马鞍区,实现全流量平稳可靠运行。