导叶式混流泵由于其良好的综合性能在工业生产、城市污水处理及大型区域性调水工程中得到了广泛地应用。近年来,随着引江济淮和南水北调工程二期的启动,对混流泵性能也提出了更高的要求,因此,研究混流泵的设计优化具有重要意义。目前,混流泵的设计方法主要有基于几何参数的传统设计和基于水动力参数的反问题设计两大类,且反问题设计方法具有设计参数少、参数与水力性能联系更紧密及更易获得创新性解等优点。目前基于反问题设计的混流泵优化研究较少,且在现有的研究中,为便于叶轮扬程控制,叶轮出口环量也大多被设定为恒定分布。由反问题设计理论及相关研究可知,叶轮出口环量分布对混流泵性能具有较大影响,因此,研究环量分布对基于反问题设计的混流泵优化结果的影响具有重要意义。本文在国家重点研发计划“叶片泵多目标水力设计方法及气液两相增压输送关键技术”（2018YFB0606103）和武汉市科技计划“大型调水高效泵装置系统关键技术研发及产业化”（2018060403011350）的资助下,以反问题设计方法为基础,在环量恒定、线性和非线性分布下分别对一比转速为511的导叶式混流泵叶轮进行设计优化,研究了环量分布对优化结果的能量特性、非定常特性、熵产损失特性和叶顶泄漏流特性的影响。本文的主要工作及创新性成果如下:（1）采用抛物线方程对叶轮出口翼展方向环量分布进行描述,以r Vh（轮毂处环量值）和r Vs（轮缘处环量值）作为控制参数,结合连续性方程、能量方程和速度梯度方程的耦合计算,完成了叶轮出口翼展方向环量在恒定、线性和非线性分布下的参数化。基于环量法特点,分析了基于环量法的导叶式混流泵叶轮的优化策略。在此基础上,以r Vh、r Vs和流线方向载荷控制参数为设计参数,以0.8Qdes、1.0Qdes和1.2Qdes工况处效率及1.0Qdes工况处扬程为优化目标,采用L27(313)标准正交表,在上述三种环量分布下分别对同一比转速为511的导叶式混流泵模型进行了参数分析。研究发现:在环量恒定、线性和非线性分布下,各试验设计中扬程的最大差值基本不变;r Vh和r Vs不仅对混流泵性能具有较大影响,其对其它参数与混流泵性能间的响应关系也具有较大影响;在环量非线性分布下,各工况处效率的变化范围及最大值相比于环量恒定及线性分布均有所增加。（2）以正交试验分析结果中的显著性因素为设计参数,以设计工况扬程变化小于3%为约束条件,以0.8Qdes、1.0Qdes和1.2Qdes处加权效率为优化目标,采用试验设计、近似模型和优化算法,在环量恒定、线性和非线性分布下分别对同一混流泵模型进行了参数化优化,并对F0（原始模型）、F1（环量恒定分布优化结果）、F2（环量线性分布优化结果）和F3（环量非线性分布优化结果）的内部流态进行了对比分析。研究发现:环量分布对优化结果的能量特性及流线方向载荷加载方式均具有较大影响,且在优化设计中采用非线性环量分布并给予轮毂处较大的环量值,能够有效提升轮毂附近轴向速度及总压,防止低动量流体的聚集所导致的边界层脱流,从而进一步提升优化效果;相比F1和F2,F3的加权效率分别提升了3.24和1.9个百分点,三者在设计工况处的扬程均满足约束要求。（3）通过搭建试验台对F3的能量特性进行试验测量,验证了优化设计的可靠性;通过对P1（叶轮进口处）、P2（叶轮出口与导叶进口之间）和P3（导叶出口处）所测压力信号的标准差进行分析,研究了不同位置处压力脉动强度随流量的变化趋势;通过对所测压力信号进行快速傅里叶变换,研究了不同位置处不同工况下压力脉动信号的时域及频域特性;通过对所测压力信号进行连续小波变换,研究了不同位置处不同工况下各频域幅值随时间的变化趋势。研究发现:本文所用优化系统是可靠的;P1及P3处压力脉动强度均随流量的增大先减小后增大,P2处压力脉动强度则基本不随流量的变化而变化;P1及P2处主频均为1倍叶频,幅值不随时间的变化而变化,而P3处主频随流量的变化而变化,幅值也随时间的变化快速变化。（4）在试验验证数值模拟准确性的基础上,通过非定常数值模拟对F1、F2和F3内的时均速度、时均压力、脉动速度和脉动压力进行对比分析,研究了环量分布对混流泵优化结果内部非定常特性的影响。研究发现:相比于环量恒定分布,在优化设计中采用环量线性及非线性分布,均有利于优化结果内部脉动速度值的降低,从而减小湍流能量损耗;此外,在优化设计中采用非线性环量分布还能够明显降低优化结果内部的脉动压力值,进而提升混流泵的运行稳定性。（5）基于熵产理论,对F1、F2和F3内的时均熵产、壁面熵产、脉动熵产和总熵产的空间分布特征进行量化与可视化分析,研究了环量分布对混流泵优化结果内部能量损失特性的影响。研究发现:叶轮下游部件内的熵产损失受叶轮出口处流态的影响,且其对混流泵的总熵产损失具有较大贡献,而在优化设计中采用线性和非线性环量分布,均有利于叶轮出口轮毂附近回流的抑制及轮缘附近攻角的改善,进而降低叶轮及其下游部件内的熵产损失。（6）根据混流泵叶轮叶片装配特点,在F1、F2和F3的轮缘处分别设置尺寸为0.2mm、0.4mm、0.6mm和0.8mm的叶顶间隙,研究了不同叶顶间隙尺寸下环量分布对混流泵能量特性的影响,并基于涡动力学诊断理论（包括过流断面诊断和边界涡量流诊断）,对不同叶顶间隙尺寸下环量分布对叶轮做功特性的影响进行了研究。研究发现:在优化设计中采用非线性环量分布,有利于优化结果改善叶顶泄漏流所导致的叶片压力面靠近轮缘处总压流的降低,以及抑制叶顶泄漏流与主流的卷吸作用所引起的叶片压力面流动分离,进而减小叶顶间隙尺寸增大所带来的扬程及效率的下降。