叶片是旋转机械设备的重要零部件,对设备性能的高低起至关重要作用。在水利、民用、国防等领域有广泛的使用范围。随着工业的进步及《中国制造2025》的提出,叶片设计与制造将迎接更高的要求,设计性能更加优越、能源利用效率更高的叶片是必然要求。为此,本文对叶片平面形状及空间面型进行优化设计研究,并研究了叶片表面质量对设备性能的影响。本文以计算流体力学为基础,运用CFD数值模拟技术,结合离心泵外部特性初始试验,对ET3型车用离心冷却泵叶片进行优化设计。优化工作开展前进行离心泵性能测量试验,获得数值模拟的对比数据。建立数值模型,分别从网格无关性、动静边界位置、流场定常与非定常计算等几个方面进行研究,对比测量试验数据,确保计算模型的准确性。开展了对离心泵叶片平面形状的优化研究工作。为提升优化系统的自动化程度及优化效率,将网格变形技术引入到优化平台中。设计了基于试验设计方法、近似模型构建、智能优化算法、网格变形技术的优化系统。选取BBD试验设计方法进行样本点获取;利用改进响应面方法构建样本点与响应之间的近似模型,并利用样本点信息对近似模型的类型进行评估,选取拟合效果最优的二次型拟合函数;利用不同类型的测试函数分别对遗传算法、粒子群算法、基于遗传算法的蝙蝠算法进行测试评估,依据测试结果选取基于遗传算法的蝙蝠算法作为系统的优化算法。利用优化系统对叶片平面形状进行优化,选取叶片结构控制顶点位移为设计变量,离心泵扬程及效率为优化目标,对优化结果进行对比分析,优化效果明显,优化工作效率提升。开展了对离心泵叶片空间面型的精细化优化研究工作。基于伴随方法的优化设计系统优化效率更高,优化系统相比传统方法不再关注设计变量数目的多少,也不需要较多的样本信息,只需要流场信息和伴随方程的求解,即可获得基于流场信息的目标函数对设计变量的敏感度,相比传统方法计算量急剧下降。搭建了基于伴随方法、梯度优化算法、网格变形技术及CFD技术的优化平台;推导了目标函数对网格变形点位移的梯度;利用测试函数分别对共轭梯度算法中FR、PRP方法及拟牛顿算法中DFP、BFGS方法进行测试评估,测试结果显示BFGS拟牛顿算法寻优能力最为突出。利用优化平台对离心泵叶片进行空间面型优化,以流体对叶轮扭矩为优化目标,以叶片结构网格点的位移为优化参数,优化结果表明相比传统优化方法更能捕捉面型细微变化,计算量小,优化效率高,验证优化方法的有效性。开展了叶片表面粗糙度对离心泵性能的影响研究工作。从叶片加工及设备使用两个方面分析了叶片表面粗糙度的来源,利用流体在近壁面区域速度计算方法将粗糙度参数引入到数值模型中,研究粗糙度对流场信息的影响作用。主要从叶片整体粗糙度及局部粗糙度两个方面考察其对设备性能的影响。研究结果表明:叶片表面粗糙度与设备性能存在直接影响关系,基本表现为随着叶片表面质量下降,设备性能同时下降,不同粗糙度数值范围,性能下降幅度不同;叶片表面粗糙区域不同,对设备性能影响程度也不同,承压面相比背压面影响更大,在承压面上,入口区与出口区的粗糙度对性能的影响不如中段的粗糙度影响大。通过本文研究工作,发展了叶片优化设计方法与体系,可以为叶片设计人员提供优化设计思路与技术支持,有利于叶片制造及保养维护。