轴流泵属于大流量、低扬程泵型,在农田灌溉、市政给排水、大型调水工程、电厂循环水工程等领域有着广泛的应用。随着国民经济的发展和日益苛刻的节能降耗要求,轴流泵的应用行业,尤其是大型调水工程对轴流泵的效率要求越来越高。为了掌握高性能轴流泵叶轮的内部流动机理和环量分布规律,本文基于理论分析、物理实验与数值分析并重的研究方法对轴流泵叶轮非线性环量分布理论进行了系统的研究。本文的主要研究内容和取得的主要创造性成果有:　　 1.基于结构化网格和混合网格分别对网格无关性进行了分析。应用Standardk-ε、RNG K-ε和RSM湍流模型分别对同一套结构化网格进行了数值计算。计算值和试验值对比结果表明,在设计工况下,Standard K-ε、RNG K-ε和RSM模型在轴流泵流场计算中均具有较好的适用性。　　 2.讨论了不同叶顶间隙下的泄漏流动对轴流泵扬程、效率、出口轴面速度分布、环量分布的影响,并捕捉到叶顶间隙泄漏涡在不同间隙和不同工况下的演化过程。数值模拟结果表明,叶顶间隙将减弱叶片出口的轴面速度,降低泵的扬程和效率,并随着间隙增大,这种趋势更加明显；叶根间隙在最优工况下使泵的效率降低2％左右。　　 3.考虑叶顶、叶根间隙等复杂边界条件,采用混合网格和局部加密技术,基于RNG K-ε模型和SIMPLE算法对江苏大学研制的南水北调工程天津同台测试系列高效轴流泵模型进行了全流场数值模拟,并将计算值与试验值进行了对比。结果表明,本文使用的数值模拟方法和网格结构均具有良好的适用性,预测结果与试验结果分布趋势一致,在最优工况下,扬程最大误差为9.96％,最小误差为0.04％；效率最小误差为0.39％,最大误差为4.48％。基于PISO算法和滑移网格技术,对ns=1000的轴流泵模型进行了非定常数值模拟。计算结果表明:791翼型设计的轴流泵叶片最大压力脉动出现在叶片进口区域,从叶轮进口到导叶出口压力脉动幅值迅速减小。　　 4.构建了轴流泵环量测量实验装置,首次对系列高效轴流泵模型不同工况下叶轮进出口流动进行了测量。实验结果表明,系列高效轴流泵叶轮出口环量分布具有规律性,在最优工况下均呈非线性环量分布趋势。基于测量结果建立了系列高效轴流泵叶轮出口环量和轴面速度分布规律数学模型。　　 5.建立了轴流泵叶轮出口轴面速度分布数学模型,其分布趋势与测量结果完全一致,从理论上揭示了最优轴面速度分布机理；基于速度梯度方程建立了非线性环量分布和轴面速度分布关联数据模型,并编写了求解程序。首次基于系列高效轴流泵的测量数据对非线性环量分布数学模型进行校核,发展和完善了轴流泵叶轮非线性环量分布理论,为轴流泵水力设计和优化提供了理论依据。　　 6.基于本文的轴流泵叶轮非线性环量分布数学模型,对南水北调工程金湖泵站的贯流泵水力模型进行了研制,基于数值计算对叶轮和导叶的匹配距离进行了优化。试验结果表明,该装置模型在2.92m扬程下,流量Q为329.2L/s,效率达到79.15％,综合性能指标达到同类装置模型的国际先进水平,可供南水北调及其他工程选用。