井用潜水泵作为一种常见的通用机械,广泛应用于家庭用水、城市排水、污水处理、建筑供水、矿山开采、农业灌溉等领域。潜井用水泵一般深入水下工作,安装、维修成本较大,且长时间浸入水中,因此对井用潜水泵的水力性能和稳定性要求较高。本文是在国家自然科学基金项目、江苏省优秀青年基金项目等课题的资助下,基于田口试验对井用潜水泵的叶轮和导叶的子午面进行了优化设计,提高了泵的水力性能;同时还对优化前后的井用潜水泵进行了非定常数值模拟,探究了优化前后的压力脉动特性的差异。本文的主要研究内容总结如下:(1)简要回顾了井用潜水泵的发展历程,对泵内叶轮、导叶的优化方法进行了总结,同时介绍了当前国内外在泵瞬态特性方面的研究进展。(2)对250QJ80型井用潜水泵进行了三维建模,采用单流道模拟与全流场模拟分别划分了网格,对比分析了两种方法的适用性。尽管相对全流场数值模拟来说单流道数值模拟只在额定工况点附近精度较高,但其计算周期的大幅缩减却更适合于多方案的泵性能优化设计。因此,本文在优化设计部分采用单流道模拟方法,在非定常计算时采用全流场数值模拟方法。(3)基于田口试验设计方法对叶轮、导叶子午面进行参数化分解,通过效应分析法和信噪比分析法进行多工况下的水力性能优化。根据统计结果分析选择因子水平以及对应方案的性能指标,确定因子的响应优先级,并基于方差回归分析,拟合出各个因子与扬程、效率等性能指标的线性方程。最后根据优化的设计目标,确定了性能较优的优化方案。(4)将基于田口试验优化设计出的叶轮、导叶方案与优化前的原始模型进行对比,通过外特性对比和内流场分析,探究结构优化后所引起的对应内流场变化规律。优化后叶轮前盖板型线向外扩张导致叶轮进口处的液体介质得以充分发展,削弱了叶轮进口处原本出现的高速区域。叶轮后盖板中后部型线的提前收缩设计使得随着流动容易堆积轮缘处的低速液体提前流出。这些结构改变最终使得叶轮水力性能有所提高。而导叶优化后后盖板交线的径向距离的整体增大使得流经导叶流道中部时液体没有足够的空间得以冲击前盖板,所以流道中后部的局部高速区域面积显著减小。此外还对初始模型进行了性能实验,证实所采用的数值模拟方法具有较高的精度。(5)沿井用潜水泵流道方向设置了多个监测点,基于非定常数值模拟对泵的瞬态特性进行了研究,重点分析了压力脉动的时域和频域特性,通过CWT小波变换分析了泵内低频信号的传播规律。通过压力脉动实验,验证了非定常数值模拟方法的准确性。多级潜水泵内部存在着多个脉动源及级间信号相互作用的现象,子午面优化后泵内的高频脉动信号的强度得到了一定程度的削减。