超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环是一种极具发展前景的可用于核动力舰船的循环系统。离心压缩机是SCO2布雷顿循环的关键部件之一,具有体积小、效率高的优点。但二氧化碳临界点附近物理性质的剧烈变化导致压缩机的设计面临诸多挑战,目前针对核动力舰船使用的大流量系数SCO2压缩机的气动设计和分析还很少。本文采用双区模型方法对大流量系数SCO2压缩机进行气动设计,通过求解三维定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程对所设计的压缩机性能进行了计算。结果表明在设计工况下,SCO2压缩机的等熵效率为90.38%,总压比为2.97,并且在非设计工况下也具有较好的气动性能;三维数值模拟预测结果验证了大流量系数压缩机的气动设计和双区模型方法的有效性。研究工作对推动SCO2压缩机在舰船动力系统上的应用具有重要的参考价值。

基于冷气喷射模型的验证结果,对冲角分别为0°、15°和-15°三种条件下的叶片前缘3排孔气膜冷却特性进行了三维环形叶栅数值模拟。在吹风比等于1.0时,详细分析了叶片型面静压和气膜冷却效率的分布特征。分析结果表明,冲角的变化使叶片前缘滞止线位置发生偏移,且对叶片前缘静压差产生了很大的影响。相对冲角0°时的情况,当冲角为15°时,叶片吸力面冷却效果增强,压力面冷却效率值降低;当冲角为-15°时,吸力面侧冷却效果减弱,压力面侧冷却效率值升高。

选取5个不同比转数的优秀离心泵水力模型作为研究对象,使用Fluent软件中的5种两方程湍流模型进行离心泵非设计工况下的数值计算,并将计算结果与试验值进行对比分析。研究表明：在低比转数和高比转数离心泵的非设计工况中,SST k-ω型能够得到比较小的误差,最小误差不超过1%;对于中比转数离心泵,小流量工况下,RNG k-ε模型的计算结果最接近实验值,大流量工况下,SST k-ω模型的误差最理想,其最小值为0.2%,最大值不超过4%;5种湍流模型所计算的涡量大小分布规律比较类似,但是湍流强度分布有明显区别,RNG k-ε模型在蜗壳扩散段处的湍流强度特征不是十分明显。通过分析,建议在离心泵非设计工况的数值模拟中采用SST k-ω模型。

基于RNGk-ε湍流模型对斜流泵内部三维流场进行了数值计算，重点针对非设计工况下的斜流泵叶轮进出口环量分布特征进行了分析。研究结果显示，在设计点附近的叶轮进口环量受叶片进口边影响较大，不同采样线的环量分布具有一定差异，小流量工况下受到叶轮进口回流的影响，不同采样线的环量分布趋于一致。叶轮出口环量分布受采样线位置影响较小，在设计流量点时，叶轮出口呈等环量分布。在小流量工况点，受到叶轮出口回流的影响，叶轮出口外缘处的环量数值显著增大。通过研究还发现，从叶轮出口流道通过轮毂一侧回流进入叶轮的流体微团具有与叶轮旋转方向相反的圆周速度分量，其环量数值甚至低于同工况下的叶轮进口环量值。

对于非设计工况下流体机械的流场计算,由于其偏离设计工况,分离流动严重等特点,使得用普通的湍流模型数值模拟精度不高。本文采用一种将涡粘性系数Cμ与湍流脉动动能和湍流耗散率的变化相关联的方法,对RNG k-ε湍流模型进行修正。为验证其对非设计工况下叶片泵的预测精度,分别采用修正模型和原始RNG模型,数值模拟了一比转速为439的叶片泵的内部流场,得到了其扬程、效率曲线及在典型工况下的内部流场流线分布。通过比较改进前后RNG湍流模型的数值计算结果,并与实验结果对比,得出修正RNG模型更能准确预测出非设计工况下叶片泵的流场特性。