本文的研究工作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”（编号：2018YFB0606101）和国家自然科学基金项目“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”（编号：51809120）的资助下展开。
　　随着近年来我国对可再生能源的支持与节能减排政策的大力推广，核电站、风电站与水电站等重要能源得到快速发展。抽水蓄能技术具有启动灵活、爬坡速度快等常规水电站所具有的优点和低谷储能的特点近年来被广泛运用。其中具有长短叶片结构水泵水轮机作为一种特殊结构的抽水蓄能机组结构大量应用于中大型抽水蓄能工程中，长短叶片结构在水泵、风机等领域都有较好应用，具有改善流态、稳定流畅并能显著提高性能等优势，目前在水泵水轮机领域尚处于研究阶段，工程实际应用报道较少。水泵水轮机机组在运行中泵工况的运行效率关乎泵及抽水蓄能系统的高效节能，因此基于优化算法的泵效率提高成为具有长短叶片的水泵水轮机研究的一个重要课题。本文以国内某抽水蓄能电站机组的具有长短叶片水泵水轮机为研究对象，采取试验和模拟相结合的方式，利用改进PSO算法对叶轮多个结构参数进行寻优来提高水泵水轮机泵工况的效率与扬程，选取三个导叶开度，针对优化方案与原方案进行对比分析。本文主要研究内容如下：
　　（1）基于标准PSO算法对参数改进，利用标准PSO算法与改进PSO算法对5个测试函数进行测试，结果表明改进PSO算法能够提高收敛速度，且在对复杂函数寻优时能够更准确的找到全局最优解，验证了改进PSO算法对复杂问题的适用性；通过对虹吸式整流器进行验证，针对内流道参数进行优化，内流道经过优化后水头损失从1.55mm降低至0.1706mm，验证改进PSO算法对解决复杂工程实际问题的可行性。
　　（2）通过CREO对模型水泵水轮机进行三维建模，建立起用于计算的模型水泵水轮机全流道模型；采用CFX对模型水泵水轮机泵工况三种导叶开度进行定常数值计算，得到外特性曲线，通过计算结果与模型试验结果进行对比，验证计算方式的准确性；对三个不同导叶开度下的内流场特性进行分析，结果表明：三种导叶开度下，内流特性随流量的变化规律类似，随着流量的减小，叶轮、双列叶栅流域内的流动越来越复杂，甚至堵塞流道；叶轮进口出现回流、二次流，回流现象随着流量的减小由后盖板向前盖板方向发展，导致叶轮的出流条件变差，这种不稳定结构延伸到双列叶栅中，使导叶流道内出现非对称性的流动，因此主流通过能力变差，且其本身也会消耗能量，流动损失增加，最终将导致机组效率值的降低。
　　（3）选择导叶开度a=17.5°时外特性为目标进行优化，选取叶轮9个结构参数为优化参数，以开度为17.5°下泵工况的效率值η和扬程H为优化目标，利用Kriging近似模型建立起优化参数与优化目标之间的数学关系；通过改进PSO算法对所建立的近似模型结果进行寻优；优化后方案提升了效率值与扬程，基于优化后方案对导叶其余开度α=9.8°、24.8°工况进行定常计算，结果表明优化方案在三个所选导叶开度下效率值与扬程值均有一定程度提高，验证了优化方法的正确性；通过对叶轮以及蜗壳内部流场分析，优化后方案有效降低了无叶区以及双列叶栅内的湍动能，主流通过性提高的同时减弱了回流现象和流动损失，因此提高了机组的效率值与扬程值。对蜗壳内部流道进行分析，发现流体从叶轮叶片出流能力的不足将会导致其在双列叶栅以及无叶区区域发生流道堵塞以及脱流等现象，严重加剧流体的能量损耗，最终将会导致机组水力特性的下降。
　　（4）基于前文定常数值模拟结果，对原方案与优化后方案再17.5°导叶开度下的额定工况点和小流量工况两个典型工况点处，进行了非定常数值模拟,分析了两个工况点在一个旋转周期内叶轮和双列叶栅的流场变化规律。然后对叶轮与双列叶栅中所设置的监测点的压力脉动现象进行对比分析，通过快速傅里叶变换得到压力脉动频域图，对各主频出现的原因进行了探讨，并对优化前后方案的压力脉动现象进行对比分析，结果表明小流量工况下，叶轮进口叶片背面有漩涡产生，进出口出现回流。双列叶栅流域的流态紊乱，漩涡运动复杂，漩涡结构随着叶轮旋转周期性地生成和脱落。这些不稳定复杂流动造成叶轮及导叶内的能量损失不断增大，最终导致效率与扬程的下降；额定工况下，水泵水轮机机组内部压力脉动主要受叶轮与导叶间动静干涉的影响，无叶区区域、双列叶栅流域脉动主频主要为BPF，而小流量工况时特别是无叶区WY2、WY3测点，压力脉动低频成分增加，主频向低频方向转变，表明动静干涉影响减弱。双列叶栅中低频成分相比较无叶区区域更甚，主要是由于内部漩涡、二次流等复杂流态引起的。无叶区区域由于叶轮转动带来的强烈动静干涉效应，高频成分增加，且峰值远大于双列叶栅区域。