管道泵结构简单,广泛应用于安装空间受限的场所,但弯曲的进口流道容易引发入流畸变,从而恶化泵的性能、影响系统的运行稳定性,对其畸变流诱导特性开展研究并进行优化设计具有重要的学术价值和工程应用前景。本文在国家自然科学基金(51976079)、中国博士后科学基金(2019M661745)和江苏省产学研合作项目(BY2019059)的资助下,以比转速为132的立式管道泵为研究对象,采用数值模拟和试验研究相结合的方法揭示多工况下管道泵入流畸变特性和流动损失机理,并基于多目标粒子群算法和人工神经网络对管道泵的进口管和叶轮进行了组合优化设计。主要研究内容和创新成果如下:(1)总结分析了流动畸变、泵内流分析方法和优化设计理论的国内外研究现状,认为基于DES湍流模型的管道泵内流数值模拟方法能准确描述入流畸变特性。搭建了管道泵性能试验台,对模型泵不同运行工况的外特性数值模拟结果进行了分析,结果表明不同流量工况下,外特性试验结果与数值模拟计算结果均具有良好的一致性。(2)针对不同进口管方案的模型泵内部流动,采用数值模拟方法,对比分析直管和弯管在小流量下的回流和速度不均匀度。研究发现:进口直管在不同工况下的速度分布都比较均匀,小流量下直管内的回流区较窄;进口弯管内在不同工况下均诱发非均匀进流,小流量下弯管内的回流区更大、流道堵塞更严重、流动畸变程度更大;直管内的回流主要是叶轮内旋转流体溢出引起的,而弯管进口的管道泵内的回流主要是由肘型进口形状引起的。(3)为了准确捕捉管道泵进流畸变,深入探究肘形进口管的非均匀出流对管道泵内流场的扰动规律,采用SST和DES两种湍流模型模拟了管道泵内部流场,并分析了进口畸变流动预测结果的差异,分析了基于Q准则的管道泵内涡团分布特性、叶轮轴向速度曲线分布和进口流道速度流线分布情况。结果表明:相同的网格数下,基于DES模型能够捕捉到更多的流场细节,在模拟管道泵流动畸变问题上具有优越性;不同工况下,管道泵进口流道内部均发现了不同程度的流动畸变现象,小流量工况下进口管内和叶轮进口截面的流动畸变主要为回流,进口管第一弯道下侧出现小范围的流动分离现象,但回流涡的强度和影响区域要远大于分离涡;在设计流量和大流量下,管道泵进口流动畸变主要为二次流造成的流动分离。(4)基于热力学第二定律的熵产理论,定性分析了管道泵不同工况下的内部流动损失。结果表明:管道泵内部流动损失主要与湍流流动造成的熵产有关,而由粘性力造成的直接能量耗散较小;相较于叶轮和蜗壳而言,进口弯管内的能量耗散对于流量的变化更加敏感,进口弯管内部能量耗散在设计流量下最小,小流量下的进口弯管内的能量耗散较大,0.6倍设计流量下进口弯管内部的能量耗散较设计流量高出17.1倍;管道泵内部能量耗散分布不具有对称性,高耗散区域的位置均集中于接近隔舌的一侧,这些高耗散区域内部一般具有明显的旋涡或回流的影响,从而导致流动损失的增加。(5)采用拉丁超立方抽样方法,在决策空间内部抽取了300组决策变量样本,利用自动数值分析脚本获取了这300组决策变量所对应的管道泵的性能参数和内流参数,并采用相关性分析的方法研究了各个参数对于管道泵内部流动及性能参数的影响。结果表明:管道泵的性能主要与叶片安放角与叶片数相关,而其内部流动的稳定性主要与进口弯管的外部形状和叶片形状相关;适当的增大进口弯管的横向长度,减小弯管各弯道的曲率,对于提高管道泵内部流动的稳定性具有积极作用;对叶片形状而言,需要根据所需的设计要求,选择合适的安放角与叶片数,平衡泵的性能与稳定性。(6)对原始管道泵的肘型进口弯管和叶轮进行了参数化设计,通过相关性分析研究了不同决策变量对于管道泵性能和内流稳定性的影响。根据所得的相关性结论对决策变量进行了降维,结合人工神经网络和多目标粒子群算法对管道泵的进口管和叶轮进行了组合优化设计。优化过程显示:对于不同的管道泵设计而言,当管道泵在小流量和设计流量下的性能不过分突出时,大流量下的效率维持稳定;优化后的管道泵设计相对于原始模型具有显著的性能提升,在0.5倍设计工况和设计工况下的效率提升达到了9.65%和7.95%。