在天然气液化工艺中,常使用膨胀阀进行降压,从而会造成闪蒸汽的产生,低温液力透平的应用可以显著提高液化率,并回收高压液体压能。低温液力透平以低温液化天然气（liquefied natural gas,LNG）为介质,在转轮出口处和下游尾水管内极易发生空化。由于转轮出口处存在较强的横向速度,在尾水管中线处形成“辫束”流动,产生低压区,造成液体空化,并向下游拓展,进而会影响后续管道中的流动,产生额外的气体,降低液化率。因此,针对低温液力透平转轮开展优化设计工作时,不仅要保证液力透平的外特性,还需抑制尾水管内的空化。这些特点使得低温液力透平的优化更为复杂。为解决上述问题,首先,本研究以低温液体为介质开展了空化流动模拟,通过对空化模型源相进行修正来描述低温液体热力学效应的影响,与低温实验结果对比验证了空化模型的精确性。对设计的低温液力透平初始模型进行数值模拟,并与以水和液氮为介质进行的实验结果对比,验证了模拟结果的精确性,进而,分析空化工况下,液力透平内部气体的分布情况,并利用非定常数值模拟计算,获得了空化工况下液力透平导叶和转轮内的压力脉动特性。为准确获得空化工况下液力透平内水力损失的来源,引入基于热力学第二定律的熵产理论对液力透平内的空化流场进行分析,并通过与传统压差计算的损失结果对比,验证了熵产水力损失计算方法的合理性。结果表明,与无空化工况相比,空化工况下导叶和转轮流道内熵产分布变化不大,而在尾水管内,熵产明显增大,局部熵产率在入口处最大,且在空化区域壁面附近熵产较大,这是因为该区域发生了剧烈的回流和流动分离现象。在小流量工况虽然尾水管内空化区域较小,但是由于流动变化更为剧烈,因此水力损失更严重。其次,建立了转轮优化设计方法。本研究将转轮全三维反问题设计方法、CFD数值模拟方法、响应面代理模型和多目标遗传算法有机结合起来。以转轮轴面形状控制参数、叶片载荷控制参数和高压边倾角为设计变量,利用CFD模拟方法和响应面模型构建了设计变量与目标函数之间的关系,最终完成转轮设计。该方案具有所需样本数目少,预测结果准确,能够兼顾多个优化目标的优点。最后,将低温空化数值模拟方法和优化方案用于低温液力透平的优化研究中。为保证透平外特性并改善尾水管内流动,以转轮水头和尾水管内的能量损失系数为优化目标。优化结果表明:轮毂后向受力,轮缘前向受力,转轮性能显著提升;非空化工况下,在一定范围内高压边倾角越大越有利于透平水力性能的提升,但在空化工况下,为降低尾水管内的汽化率,高压边倾角绝对值不宜超过5°。