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泵作透平（PAT）是一种既可以在泵工况又可以在透平工况下运行,而不用对其几何形状进行任何重大改变的机械装置。与传统透平机械相比,泵作透平具有成本低、结构简单、对环境影响小等优势,在微型水力发电等工程领域得到了广泛的应用。目前使用PAT的主要问题是难以准确预测泵在透平模式下运行的性能,就连泵制造商也无法提供其性能预测的准确数据。然而,PAT的性能预测是决定所选泵是否达到最佳性能的关键因素,如果选择一台不合适的泵在透平工况下运行,会导致其在相应运行工况下性能急剧下降。因此,准确的性能预测方法对于PAT应用技术至关重要。在文献中学者已经提出了预测PAT性能的不同方法,但是与实验数据相比,这些预测方法的误差范围达±20%。因此为了减小误差,本研究提出了一种利用PAT泵工况数据来预测PAT透平工况性能的方法。除了PAT的性能难以准确预测外,影响PAT推广及使用的其他因素包括:负载效率低、工作范围窄和缺乏流量控制装置等。由于离心泵不是按PAT方式设计的,所以其几何参数的设计没有考虑到其可逆的运行工况。因此,本研究的面临的最主要挑战之一就是如何在恒定的PAT几何模型参数（蜗壳,叶轮）下提高其泵及透平运行工况下整体的运行效率。在PAT运行工况下,流动方向的变化会急剧增加水力和摩擦损失,从而使其效率急剧下降。因此,为了提高其水力性能,拓宽工作范围以适应不同工况,需要对泵及透平工况同时进行优化,此外还需要对PAT内流特性进行可视化研究,从而寻找其偏离设计工况运行时性能差的根本原因。综上所述,本文的主要思路和创新点如下:1.在开放式试验台上,对转速为1450 r/min、压力水头为8.5 m、设计流量为25m3/h的离心式PAT的水力性能进行了试验研究,得到其水头和效率特性曲线,与基础设计的PAT性能预测结果吻合良好。2.采用高质量六面体结构网格对PAT基础模型进行了网格划分并进行了数值模拟研究,通过与实验结果进行对比,验证了该基础模型用于水力设计优化的准确性,并对优化后模型的压力和速度云图等开展数值实验研究。3.提出了一种新的基于一维速度三角形理论的PAT特性预测模型,该一维理论模型引入了详细的PAT几何结构,考虑了所有的水力损失。通过使用PAT泵工况数据来预测PAT性能特性,实现减小PAT特性模型预测误差。当输入PAT参数后,该模型可以准确预测水头损失并且得到其水力性能及效率。4.对PAT模型的叶轮进行了多目标优化,以提高其在设计工况下泵及透平运行时的整体效率。通过采用拉丁超立方采样法生成了50个叶轮的数据集,并使用新提出的一维理论模型计算PAT在泵及透平工况下的运行效率,基于Pareto前沿的遗传算法（Pareto-Based Genetic Algorithm,PBGA）,成功解决了该多（俩）目标优化问题,并得到了PAT叶轮参数的二维Pareto前沿最优解。5.由于优化PAT在设计和非设计工况下性能时,代理模型可以极大地减少计算资源并降低优化复杂程度,因此进一步对代理模型对PAT多工况优化的影响进行了研究。所使用的代理模型为ANN,GRNN、ANFIS,分别研究了在0.6Qd、1.0Qd和1.4Qd流量下设计和非设计工况的优化结果,最终解决了该三目标优化问题,并且获得了PAT叶轮参数三维Pareto前沿最优解。6.对PAT叶轮进行了基于ANN和PBGA的多工况、多目标参数优化,在1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd流量下的设计工况点、最佳效率点和过载流量点进行了优化研究,并获得了三维Pareto解。通过数值模拟与原基础模型进行比较,验证了优化后PAT外特性的提高。7.为了研究优化后PAT的内流特性,对其进行了非稳态流动数值模拟,以研究优化后PAT速度和压力脉动等内部流动特性。优化结果显示,叶轮设计变量和蜗壳的不对称形状对PAT的非定常流场有很大的影响,蜗壳隔舌和叶轮前缘区域的流场最不规律。叶轮后缘处也会产生微弱的压力波动,进而可能导致气蚀。此外,叶轮、蜗壳和出口管流域中的主频谐波激励研究表明,叶轮与蜗壳之间的动静干涉是产生压力脉动的主要原因,而压力脉动又会影响振动和噪声的产生。8.通过对PAT进行熵产分析,结果表明与蜗壳和出水管道相比,优化后的叶轮流道均产生较高的熵损失,在叶轮区域产生的熵主要是由涡引起的。此外,叶片进口边和吸力面的损失高于叶片出口边和压力面,并且熵损失随着流量的增加而减小。综上所述,本论文的主要目标是利用泵运行工况数据,建立PAT的一维理论预测模型,该模型能够降低PAT透平工况下水力性能预测的不确定性。本研究建立了一套对PAT特性进行快速理论预测及数值优化方法,可以用来研究其不同设计变量对目标函数的影响,还可以帮助泵设计人员决定所要优化参数的优先顺序,从而成功解决PAT多目标多工况的数值优化问题。此外,通过对PAT内流特性进行可视化分析,揭示了PAT在设计工况和非设计工况下性能差异的内在原因及机理。因此,本研究将为PAT叶轮的优化设计提供理论依据和数值计算方法参考,具有重要的实际意义。