离心式叶轮机械是流体机械中应用最广泛的类型之一,大量应用于冶金、矿山、化工、土木等一般工业领域以及航空、电站、船舰等高端领域,在国民经济尤其是国家工业体系中占据重要的地位。随着节能减排在促进可持续发展中的重要性日益凸显,在保证生产或生活的同时降低能源消耗就必须着手于提高能源利用率。提高离心式叶轮机械的气动性能能可观地降低其应用领域整体的能源消耗。本文在总结现有三维叶片优化理论及方法的基础上,进一步改进三维叶片优化理论与方法,使优化模型更加完善。本文提出的离心叶轮优化设计方法从造成离心叶轮流动损失的根源出发,通过控制叶轮流道内的边界层增长与分离、二次流与分层效应对离心叶轮中普遍存在的射流尾流结构进行控制,从而减少叶轮的流动损失提高流动效率。研究表明,叶轮流道内合理的速度分布对控制流道内上述流动效应至关重要。在总结前人研究工作的基础上,选取了如下参数来建立叶轮流道内合理的速度分布模型：通过平均相对速度最大减速比及其位置,建立平均相对速度沿流线的分布模型；通过吸力面上的最大载荷系数及其位置,建立吸力面相对速度的分布模型。优化设计方法还考虑了气体的压缩性,提高优化设计结果的准确性,优化设计的判定依据是边界层最薄,在计算边界层时,建立了考虑叶轮旋转与叶片曲率可压缩边界层计算方程,保证了边界层计算的精准度。在叶片成型时采用流线曲率法,流道内最优相对速度分布确定的同时可以方便地确定叶片的三维型线,从而完成叶片优化设计。编写出三维叶片优化设计程序后,经过调试运行最终优化设计出三维叶片,并进行CFD模拟验证,模拟结果表明,优化设计所得到的叶轮流道内边界层发展得到有效控制,边界层更薄,二次流强度较弱,射流尾流结构减弱,从而减小流动损失,提高叶轮的流动效率。