叶轮机械内部三维流场的非定常流动机理及控制是学科研究热点问题之一,双向轴流泵作为兼顾排涝和灌溉的低扬程泵站的主要“心脏”部件,多为采用传统二元方法设计的S型叶片,存在正、反向运行条件不同时能效较低的缺陷,反向时由于导叶起正预旋作用,且无后置导叶整流,其内流结构中的逆压梯度变化、附面层分离、大尺度回流等特殊复杂流动制约了综合性能的提升,论文采用理论分析、数值模拟与试验相结合的方法,围绕非对称翼型双向轴流泵的优化设计、内流机理及主/被动流动控制技术、压力脉动特性等方面内容开展研究,取得如下成果：(1)基于保角变换法提出了一种低拱度圆弧翼型双向叶片设计方法,通过儒可夫斯基变换建立低拱度圆弧翼型正反向速度环量、理论扬程的关系,通过改变叶栅几何参数分配正反向性能,同时基于升力法设计常规S翼型双向轴流泵开展对比研究,系统对比了两种翼型叶片双向轴流泵的时均流场和压力脉动特性,通过在叶片、导叶表面网格上创建微小网格单元并监测其平均压力研究了S翼型双向轴流泵正反向运行时叶片、导叶表面的压力脉动变化规律,对比了正反向马鞍区流动特性及叶顶间隙流动特性,开展两个模型正反向不同安放角下的实验研究。结果显示,圆弧翼型叶片吸力面尾缘附近流体质点的径向运动较小,进出口边脉动幅值更低,正反向效率较S翼型模型分别高3.5%和1.3%；叶片表面压力脉动主要受导叶叶片数影响,主频为导叶通过频率,导叶表面压力脉动的主频为叶片转动频率；小流量下,正向时在1～2、4～5倍转频,反向时在0～2倍转频出现了较强的低频脉动。(2)开展双向轴流泵导叶改型设计研究,建立了弯导叶双向轴流泵反向运行内流场流动模型,引入直导叶以降低反向时叶片吸力面大冲角入流,基于Q等值面法研究了直导叶内的旋涡结构及其非定常演变规律,通过改变翼型降低流动分离强度；分析了导叶一弯管相对位置变化对流场结构及性能的影响规律。结果表明,直导叶可消除反向时叶片前的正预旋,后置直导叶内主要流动损失由吸力面附面层分离及脱落涡引起,合理选择翼型可以降低流动分离强度；弯管会破坏上游流场的轴对称分布,改变导叶各叶片的冲角。(3)构建了同时包含叶片、流道几何参数的轴流泵(风机)参数化优化平台,改进现有轴流叶片优化方法,提出一种包含实验设计和速度梯度算法的轴流式叶片组合优化方法,基于最优拉丁超立方方法及序列二次规划算法分别对叶片、流道进行优化,通过增大空间步长加速收敛。较常规直接采用实验设计或序列二次规划算法优化正向效率分别提高了3.07%和0.87%,采用扩散管减小了流道径向压差和流体周向旋转速度,对叶片和流道优化后正向效率较原模型分别提高了2.02%和2%。