油气两相混输技术是边际油田和深水油田开采、输送的创新技术方向之一,而螺旋轴流式多相流泵作为油气开采的关键设备,其优点在于可以简化工艺,实现多相流体的增压和输送;对流体中的固体颗粒不敏感,能够运行于较为恶劣的环境之中;可以输送含气率较高且流量较大的多相流体。但现阶段针对多相流泵的研究大多集中在改进多相流泵结构,获得更高的外特性提升,而对于其内流结构的研究较少,要想得到更加高效的输送效率,其内部流动问题的研究是必由之路。本文以螺旋轴流式多相流泵的单级增压单元为研究对象,采用多相流设计理论、试验观测和数值模拟三种方式的结合,主要研究方向如下:首先,介绍了螺旋轴流式多相流泵试验台系统,包括试验系统的组成部件、试验目的及内容、操作过程、试验方案以及性能试验数据分析等进行了详细说明,性能试验结果表明:增压单元数量的增加,可有效增加多相流泵整体的增压性能,且后一级的增压性能较前一级有较大的提升,为了使首级增压单元的增压能力增强,需要调节进口两相介质的物性参数。输送纯水介质时,转速的适当提高能够明显改善多相流泵的增压能力,转速过高会导致系统共振噪声的增强,对试验的安全性和稳定性产生危害。高含气率工况下输送两相流介质,多相流泵输入功率呈现下降趋势直至发生“气堵”泵不通流。其次,由于两相介质的密度不同,运动轨迹也不相同,气体以气泡的形式流动,在流动过程中大小和形态的转变可直观反映泵内流体参数的变化,结果表明:转速在1200r/min以下时,气泡的体积在叶轮叶片骨线1/2处达到最大,与压力面接触破碎向吸力面运动,在导叶内气泡自身能量不足开始逆压力梯度回流,多相流泵的通流情况较差;转速在1450r/min之上时,叶轮内气泡数量增多、尺寸减小,开始出现叶顶间隙回流且强度不断增加,跨流道运动强度也逐渐增加,在叶顶间隙有明显的气泡冲撞并有叶顶间隙涡的形成,导叶内气泡的气泡跨流道运动导致在其出口尾缘出现气体涡旋,随转速的增加所占流道面积增大,阻碍两相流通流。最后,通过改变螺旋轴流式多相流泵各输入参数以及高进口含气率观测试验总结,对多相流泵内涡旋的演变规律进行分析,随着入口气体体积流量的增加,涡旋内气体体积分数增大,气体易在压力较低的地方聚集,气液分离程度增加,流道内涡旋的体积不断增加;随着转速的不断增加,动静交界面出现预旋对进口两相流体有所干扰,在叶轮与导叶交界面出现速度突变,气相易聚集于叶轮叶片后缘点与导叶叶片前缘点附近,气体涡旋使得叶轮出口两相流体回流,导叶进口附近的通流面积减小,适当增大转速对多相流泵内两相流体的分离程度有所抑制;气泡直径的增加,叶轮吸力面附近有气相的聚集,但对主流运动的影响不大。在导叶内,叶顶间隙涡流强度不断增加,对流道内的主流运动产生较大的影响,出口尾流呈现“麻花”状,增加了流体水力损失;随着流量的增大,有效改善进口条件且两相混合均匀,交界面处仅有部分位置生成回流涡,在导叶内涡旋的体积占比也明显减小,故增大流量对两相流体的分离现象有所改善,高效区大流量下输送的效率增大。