多级深井泵在工业生产和生活领域应用广泛且需求巨大,由于井径的直径与开采成本直接相关,目前对于多级深井泵的体积、重量、便携性要求越来越高。已有的传统深井泵均是基于2～6极电机设计与制造,近年来转速提升到6000r/min的永磁变频高速的深井泵已开始研发,该深井泵的体积、重量大幅度减小。已有的深井泵水力模型转速大都为3000r/min以下,但对于转速达到6000r/min的高速深井泵水力模型,和泵的能量特性、内部流动损失特性尚缺乏系统的研究。因此,本文以典型的6000r/min的高速多级深井泵为研究对象,对叶轮、空间导叶的水力设计参数进行优化设计,获得影响泵水力性能的关键影响因素。同时针对浮动式叶轮存在的口环泄漏对泵内部能量损失的分布特征进行分析,利用涡识别技术获得高速多级深井泵内部的涡旋结构分布及演化规律,从而对泵的非稳态内流特性有更清晰地理解和认识。本文基于理论分析、试验测量和数值模拟多种方法对高速多级深井泵进行优化设计、口环间隙泄漏和内部涡旋等方面研究,主要内容和结构如下:（1）建立高速多级深井泵计算模型,利用ANSYS CFX模拟仿真软件并采用SST k-ω湍流模型对高速多级深井泵的两级简化模型进行正交试验。采取9因素4水平的正交表获得设计流量工况下的优化模型,并将优化模型制作样机进行试验,验证数值模拟的可靠性。结果表明:以扬程为优化目标时,叶轮包角的影响最显著,而导叶出口边轴面位置的影响最小。以效率为优化目标时,导叶包角的影响最显著,而叶片出口安放角的影响最小。优化后的高速多级深井泵在不同流量工况下的速度、压力和流线分布均得到改善,叶轮做功能力得到提升,导叶的扩压能力也有所增强。（2）基于熵产理论分析口环间隙轴向宽度（δ）对泵内部能量损失及内流特性的影响特征。通过控制变量法分别建立了δ1=0.15mm、δ2=0.35mm及δ3=0.55mm的计算模型并进行研究。结果表明:泵的扬程和效率随着δ的增大而减小,而轴功率的变化趋势则相反。口环泄漏量随着δ增大而增加,但随着流量的增大而略有降低。采用熵产理论探究泵内能量损失特性,泵内总熵产随着δ增大而增大,湍流耗散熵产是泵内能量损失的主要来源,腔体、叶轮和导叶是泵能量损失的主要区域。口环间隙虽然导致容积损失增加,但其内部流动的熵产并不高。在设计流量工况下,腔体内的涡旋随着δ增大其特征基本不变,但叶轮进口和叶轮流道内的涡旋强度不断增强,这也是高速多级深井泵内部流动水力损失的主要来源。随着δ增大,首级叶轮所受轴向力合力随之增大,但次级叶轮所受轴向力合力先增大再减小。在不同时刻下,三种δ下叶轮所受轴向力波动均较小,而导叶所受轴向力依然较大,且导叶所受轴向力方向与叶轮方向相反。导叶内部的静压梯度较大是诱发较大轴向力的主要原因。随着δ增大,首级叶轮和首级导叶内的径向力均有所增大。（3）基于Omega涡识别方法对泵内涡旋分布进行非定常特性分析,结果表明:叶轮进口的流动分离涡及回流涡是叶轮内最主要的涡旋结构,并造成了极大的能量损失。在小流量工况下,叶轮出口处的尾迹涡非定常特性较强,存在一定的耗散、融合、再发展的过程。导叶受动静干涉作用导致其内部涡旋结构复杂,导叶进口处的涡旋结构在不同时刻具有明显的差异性。导叶叶片前缘及背面流动分离输涡结构的脱落、合并、耗散以及破碎等过程周期性产生。引入旋转坐标系下的相对涡量运方程研究涡量分布及其与各项间的关联,发现叶轮进口涡结构的非定常特性与拉伸扭曲项及科氏力项都密切相关,叶轮内旋转产生的科氏力对叶道涡的产生与发展贡献极大。导叶进口处涡结构的产生及非定常特性与拉伸扭曲项关系密切,导叶出口处的分离涡及回流涡等结构则主要受到科氏力的影响较大。压力脉动结果显示,在小流量工况时叶轮进口低频信号复杂,且低频信号振幅在圆周方向上差异较大。在大流量工况下,叶轮进口处压力脉动频域特性改善明显。在非设计流量工况时,导叶出口处主频表现为f=4.4f Z,在大流量工况时低频信号增多,但振幅较小流量工况时均有所减小。