螺旋轴流式多相流泵是用来输送油田开采中的原油及伴生气体的一种主要油气混输设备,随着应用环境条件的变化,对该泵提出了对低流量、高扬程的需求。该泵在高含气率条件下,气液两相流体会逐渐发生分离,这些气团会堵塞流道,阻碍两相流体的流动。需要对该泵进行水力设计优化,改变该泵叶轮与导叶的几何参数,避免气液分离的发生,以便提高整泵的工作效率。本文以自主设计的HA100-120型螺旋轴流式多相流泵为研究对象,采用正交试验设计法对该泵的叶轮与导叶进行水力设计优化。完成对泵结构参数进行因素水平的正交试验设计后,采用Pro/E三维软件对各个方案进行建模,并且应用CFD流场软件通过数值计算结果找到该泵的水力性能最优组合方案。根据该泵的特点,在此对不同的模型进行单相的数值模拟,以便研究不同正交试验方案下该泵模型的水力性能。再对优化后的模型与原始方案进行气液两相的数值模拟,以便研究不同含气率下,两种方案该泵模型的水力性能。并且搭建了该泵的性能测试试验台,通过试验以确定最终的几何参数,对数值计算的结果进行验证。初次采用正交试验对螺旋轴流式多相流泵的叶轮进行水力设计优化,选用3个不同的影响因素,分别为叶栅稠密度A,轮毂半锥角B,叶片修圆半径C.得到最高效率点不同因素对流量、扬程以及效率影响程度大小的主次排序,从而得到性能最优的方案为A2B2C1,即叶栅稠密度为2.0,轮毂半锥角为10°,叶片修圆半径为0.2mm。其次通过多目标正交试验设计对螺旋轴流式多相流泵的叶轮和导叶进行水力设计优化,从叶轮及导叶上共引入4个不同的几何参数作为影响因素,分别为叶轮叶栅稠密度A,叶轮轮毂半锥角B,导叶叶栅稠密度C,导叶片修圆半径D。得到最高效率点不同因素对流量、扬程、效率以及功率影响程度大小的主次排序,从而得到最终性能最优的方案为A3B2C1D3,即叶轮叶栅稠密度为2.0,叶轮轮毂半锥角为9°,导叶叶栅稠密度为2.42,导叶片修圆半径为0.5mm。在进行多目标优化时给出优化函数G,并且指出了目标函数流量Q、扬程H、效率η与功率P对于最终函数值的初步影响。通过气泡图对优化函数G进行抽象化地展现,得出性能最优的方案为A3B2C1D3。并且从流线、湍流动能以及涡流粘度三个角度出发,对不同方案下的模型进行内流场的分析对比,进一步分析不同方案下模型的优劣。通过性能曲线与内流场的分析,将优化前后的模型进行对比,进一步对性能最优的方案A3B2C1D3做出了验证。最后采用可视化试验的方法对螺旋轴流式多相流泵内部流场采用高速摄像机进行拍摄,得到在单相与两相介质下,该泵内部流体的流动状态。以及在不同含气率下泵内部气泡的形成及发展过程。并且在中高含气率下,大量尺寸较大的气泡聚集并且堵塞该泵的流道,使得泵的性能下降。这些现象进一步说明了本文所采用的数值计算对于研究对象螺旋轴流式多相流泵具有较高的可靠性。