随着开采技术的不断提高,全球海洋油气业正经历快速持续稳定发展。海洋油气资源的巨大潜力,也为我国海洋油气业的发展提供了难得的机遇,每年都有一定数量的大型油气海上平台项目开工建设。海上平台是海洋油气开采的主要载体,但因其所占空间较小,远离海岸线,且长期处于不间断的油气开采工作状态,因此造成了海上平台的消防装备配置存在很大困难。立式长轴消防泵以海水为消防水源,具有占地面积小、流量大、扬程高、快速启动和运行稳定的特点,在大型码头、海上平台等远离陆地、缺乏大量陆上水源供应的消防场所得到了广泛的应用。基于优化设计的效率提升和安全稳定运行成为立式长轴消防泵开发设计研究的一个重要课题。本文的研究工作是在国家重点研发计划项目“流体机械复杂流体力学行为精细化分析与诊断方法（2018YFB0606101）”、国家重点研发计划项目“大型火场供水排烟关键装备技术与一体化消防单兵装备（2016YFC0800608）”、国家青年基金项目“低扬程泵站弯肘形出水流道内Dean涡的演变及流动控制研究（51809120）”和消防救援局科技计划“复杂环境下消防应急排/供水成套装备研发及其产业化（2019XFCX28）”的资助下展开的。主要研究工作和取得的创新成果如下:（1）对XBC18/178-300LC3型号立式长轴消防泵进行了开发研究,通过分析该类泵多项国家标准要求,初步设计了单级泵水力模型方案。通过性能试验数据研究,确定了单级模型泵的多工况性能参数。与此同时,概述了柴油机立式长轴消防泵组的整体结构设计和泵关键部件的主要构成,并分析了该类泵的关键应用技术。（2）基于立式长轴消防泵叶轮基本设计参数不变的情况下,对叶轮出口边作倾斜设计方案,其中包括叶轮出口边倾斜角θ=0°、5°、10°、15°、20°和25°六种方案,研究叶轮倾斜出口边对立式长轴消防泵外特性的影响规律。结果表明:存在最优叶轮出口边倾斜角度方案,在本文中当0=15°时,立式长轴消防泵扬程和效率在设计运行条件下达到最佳,相对于原模型分别提升了 5.95%和1.19%。与此同时,基于最优叶轮出口边倾斜方案,采用正交试验设计优化空间导叶,分析空间导叶几何参数对泵扬程和效率指标的影响规律。结果表明:影响扬程指标的主次顺序为导叶包角φ2、导叶叶片出口边与导叶外侧的交点距导叶出口距离l、导叶出口角α4、导叶进口倾斜角θ’;影响效率指标的主次顺序为φ2、l、θ’、α4。（3）基于离心泵无过载理论,通过改进粒子群算法对立式长轴消防泵叶轮参数（以叶片进口处三流线的安放角、叶片出口安放角、叶片包角及叶片厚度共6个参数作为优化参数）的Kriging近似模型进行多参数优化。结果表明:优化后的叶轮在1.5Qd时实现了无过载,且相对于原模型,在l.0Qd时效率提高了1.63%,扬程提高了 0.39 m。将原叶轮与无过载优化后的叶轮组合成为新的立式长轴消防泵,对比水力性能可知:两级最佳无过载组合方案为首级叶轮为无过载优化后的叶轮,次级叶轮为原叶轮。三级最佳无过载组合方案为首级叶轮为无过载优化后的叶轮,次级叶轮和末级叶轮均为原叶轮。（4）基于叶轮出口边倾斜方案,对A泵模型（叶轮出口边倾斜角度θ=0°+原始空间导叶）、B泵模型（叶轮出口边倾斜角度θ=15°+原始空间导叶）及C泵模型（叶轮出口边倾斜角度θ=15°+优化后空间导叶）进行非定常数值模拟研究,获得了过流部件不同监测点压力的非定常特性以及不同工况下叶轮所受径向力的分布情况。结果表明:合适的叶轮出口边倾斜方案能够优化泵内部的压力脉动。随着流量的增大,监测点的压力脉动得到明显改善,且泵的径向力逐渐减小。最终优化后C泵模型的径向力相对A泵模型和B泵模型较佳。（5）对采用不同轴段长度联接下立式长轴消防泵轴系转子进行模态分析,并对叶轮的干模态和湿模态进行了对比研究。结果表明:水介质对叶轮的模态振型影响不大,但会降低叶轮的固有频率及振幅。改变单段中间轴长度和轴段个数会对轴系转子固有频率以及模态振型产生较大的影响。此外,对采用不同轴段长度联接下立式长轴消防泵轴系转子临界转速进行了对比分析。结果表明:不同轴段长度联接下的轴系转子,其临界转速出现的阶次不同。在中间轴总长不变的情况下,单段中间轴长越小,轴系转子临界转速越大。与此同时,定义了无量纲参数“中间轴段长径比δ’”,并根据统计数据,给出中间轴段设计指导原则,即中间轴段长径比δ’取值范围为25～35。（6）立式长轴消防泵组的整体结构型式为典型的长圆柱悬臂梁式布置,为研究其在洋流中的水动力特性,针对此类结构开展了实验模拟。在亚临界范围内雷诺数为Re=8000的情况下,研究了间距比（Do/d=3.2～6或P/d=2.8～5.2）以及入流角（α=0°～30°）的变化对等边三角形布置的三圆柱柱群绕流的影响。使用压电式力传感器直接测量每个圆柱上的水动力（阻力和升力）,同时使用粒子图像测速（PIV）技术对柱群周围的流场进行了详细的测量,定量化呈现剪切层的发展、涡流形成和相互作用过程。结果表明:柱群之间的流动干扰与并排、串联或交错排列的双圆柱有一定的相似之处,但由于第三个圆柱体的存在,流动干扰变得更加复杂,并表现出许多独特的特征。在（P/d,α）参数空间上,识别了许多不同的流动型态,包括从重新附着状态、到诱导分离状态、以及最终各自独立旋涡脱落状态的转变等。在平均速度矢量场（U,V）和雷诺剪切应力（RSS）的分布中,由于柱间距和入流角的变化而引起的圆柱间流动干扰的影响也非常明显。此外,无论是柱群中的单个圆柱还是整体柱群,都可以通过平均阻力/升力系数以及均方根阻力/升力系数,评估和预测柱间距或入流角的变化所带来的影响。（7）基于工程中一种典型的等边三角形布置的三圆柱绕流和水动力数值模拟,提出了一种预估并研究立式长轴消防泵护筒的最大载荷（包括阻力、升力和弯曲力矩）的方法。主要结论如下:采用的数值计算方法和湍流模型能够准确地预测三圆柱柱群间的复杂流动细节;圆柱间距比和入流角对圆柱间扰流状况、各个圆柱的水动力系数以及整个柱群的均值水动力系数有着显著的影响。对于等边三角形布置的全尺度立式长轴泵护筒,最大阻力或升力都发生在来流角为a=30°时的下游护筒Cy-3,这是由于Cy-3受到上游护筒Cy-1和Cy-2的双重尾流共同作用的结果。