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离心泵在小流量工况下运行时,叶轮进口会出现回流。回流的出现会恶化流场,造成不必要的能量损耗,发展到一定程度还会诱导空化的产生,相互作用下,加剧泵内不稳定流动。这种不稳定流动结构一方面会引起过流部件结构特性发生变化,引发结构疲劳破坏,另一方面引起水力激振,诱导振动与噪声,严重影响离心泵运行可靠性与稳定性。因此,针对回流空化不稳定流动作用下离心泵结构特性与振动特性的研究具有重要的工程价值和理论意义。本文采用数值模拟与试验研究相结合的方法,对三种不同叶轮方案离心泵小流量回流空化不稳定流动及诱导流固耦合及振动特性进行了较为全面的研究,本文的研究内容和创新点如下:1.详细阐述国内外离心泵内回流、空化流动以及流固耦合振动特性相关研究现状,并进行了归纳总结;分析了开展回流空化不稳定流动以及其诱导的流固耦合与振动特性的研究意义。2.对模型泵开展定常数值模拟研究,获取了不同流量下三种不同叶轮方案模型泵内部流场信息,针对其回流特性进行分析,主要结论有:叶轮进口处回流强度与流量和叶轮形式有关;回流的出现会改变叶轮内部及叶轮进口处的漩涡分布,同时引起流动耗散增加,影响泵的能量转换效率;回流发生时叶轮进口处静压波动明显,静压最低处出现在叶顶截面距叶轮轴线1/4管径处,此处最易发生回流涡空化。3.在模型泵定常数值模拟基础上加载空化模型,对其内部空化流动特性进行研究。着重分析了回流作用对叶轮内空泡分布的影响,并探讨了小流量工况下定常空化特性。主要结论有:与最优工况点相比,小流量下受回流作用影响叶片处空泡初生位置由叶片背面顶部变为在叶片背面中下部位;相较于最优工况,小流量下受进口回流不稳定流动影响叶轮内空泡不对称分布更为明显。4.基于ANSYS Workbench平台,采用单向流固耦合方法,对不同转子系统方案开展静、动力学分析,结论如下:随着流量降低,各方案转子系统最大等效应力均不断增加,而最大变形量则随着流量的降低呈现先增加后下降的变化趋势;耦合0.6QBEPB不同空化系数下流场压力载荷,发现随着空化系数不断减小,由于小流量工况空化发生时叶片流场的非均匀性导致转子系统所受应力与其所产生最大变形量均表现出明显非对称分布。5.搭建闭式试验台,对模型泵开展了外特性、空化性能试验,采集了振动加速度数据。对试验所得数据进行处理分析,结论如下:（1）对比不同叶轮方案下数值模拟预测结果与试验测得外特性、空化性能曲线,两者较为贴近,验证了数值模拟的准确性;比较最优工况下不同叶轮方案扬程、效率与空化初生时的空化数大小,发现,闭式叶轮方案水力性能较好,但其空化性能较差,长短叶片叶轮方案水力性能较差,但有较好的空化性能。（2）对叶轮进口轴向与径向振动信号进行时域、频域分析,发现:相较于最优工况下,小流量工况下叶轮进口处叶轮进口径向（x向）、轴向（z向）振动加速度幅值均显著增加且径向整体幅值均高于轴向,0.4QBEPA工况下径向振动幅值约为最优工况点下4.5倍;各流量下叶轮进口径向、轴向主频均为轴频整数倍,受叶轮转子动静干涉激励作用,振动信号叶频有较大幅值;叶轮进口回流不稳定流动会影响振动加速度特征频率分布,同时回流发生时振动信号具有低频特性。选取0.4QBEPA,σ=0.16工况对叶轮进口处振动加速度进行分析,此时扬程系数下降3%,空化发生,该工况下x、z向振动加速度幅值均随时间较大波动,且z向幅值总体小于x方向,约为其1/2。对其进行频域分析,对比非空化工况,x向高幅的低频振动频率明显增多,空化的发生加剧了叶轮进口的不稳定流动。