本文的研究是在国家重点研发计划(2016YFB0200901)的资助下开展的。从传统设计角度出发协同提升离心泵水力和声学性能较为困难,而运用仿生原理提取自然界中的特殊生物原型特征进行减阻降噪,是解决该问题的较优方案。仿生结构的尺寸相对较小,采用直接数值模拟、分离涡模拟或大涡模拟等高精度数值计算方法研究其作用机理往往需要数亿甚至数十亿单元的大规模的网格,虽然我国快速发展的高性能超级计算机为此提供了足够的硬件支撑,但是与之配套的通用离心泵大规模网格划分软件相对较为匮乏。因此,研究面向分布式超级计算机的大规模并行网格生成算法,对于实现仿生离心泵的高精度数值模拟,建立关键流动参数与减阻降噪之间的联系具有重要的意义。本文采用理论机理分析、高精度数值模拟与试验测试相结合的方法,围绕并行网格生成、仿生叶片离心泵内部流场和声场特性以及离心泵多目标协同优化等进行了深入地研究,旨在提出一种大规模并行网格生成算法,掌握离心泵仿生叶片减阻降噪机理,实现离心泵水力性能和声学性能的协同提升。主要的工作和研究成果如下:1.阐述了并行网格生成的基本概念和基本思路,概述了运用仿生思路进行减阻降噪应用和分析的研究现状,归纳总结了离心泵多目标优化的思路和方法。2.基于区域分解法提出了一种面向高性能计算机的大规模并行网格生成算法,该算法可以有效适应离心泵水体的复杂表面并可保证交界面网格的一致性。将该算法通过“天河二号”超级计算机平台进行数值测试,对离心泵进行了大规模并行网划分和LES数值计算。研究结果表明:该算法生成的网格质量较高,能较好地继承原串行网格算法对于网格质量的保障;本文的并行网格生成算法可以有效地突破现有串行程序对于网格规模的限制,可在5分钟内生成10~8数量级的网格单元;在并行核心数不超过12核时,并行效率超过75.92%;大规模网格的计算结果能够更准确地捕捉到泵内流场的速度分布,揭示与PIV拍摄结果更贴近的漩涡和双涡等不稳定流动结构。3.为了掌握内流关键参数与减阻降噪效果之间关系,提取蜣螂体表非光滑结构特征布置于离心泵叶片工作面出口区域。基于大规模并行网格对内流场进行大涡模拟计算,基于Proudman半经验模型法和直接边界元法对离心泵内场噪声分布进行模拟计算,研究内流关键参数平均剪应力变化率、减阻率、增效率与内声场总声压级降噪率之间的变化关系,分析仿生叶片的减阻降噪机理。研究发现:仿生凹坑结构可以有效增加近壁面低速边界层的厚度,减少壁面雷诺应力,从而有效减小壁面所受阻力,提高离心泵的水力效率;发现并提出仿生凹坑处的“反向涡”减阻机理,仿生叶片布置的凹坑起到“微型滚动轴承”的作用,减少叶片壁面附近流体流动的摩擦损耗和能量损失;仿生叶片对于离心泵声场与流场的优化具有一定的统一性,噪声总声压级的降噪率与流场中的减阻率、增效率、平均剪应力变化率的变化趋势基本一致;内流参数中的壁面平均剪应力对于减阻、增效和降噪效果的贡献最大,可通过壁面平均剪应力的变化情况来预测和判断减阻降噪效果。4.建立了一种基于试验设计与响应面的离心泵水力性能与声学性能多目标优化方法,以仿生凹坑直径d,轴向间距e,径向间距f三个参数作为设计变量,以离心泵水力效率最高和总声压级降低为响应目标,构造设计变量与多目标函数间的多元回归响应面模型。分析多目标参数间的交互作用,确定水力性能与噪声协同优化的最优参数组合,并通过数值模拟和实际试验测试对优化结果进行对比验证。结果表明:响应面方案设计合理,基于响应面法的多目标优化方法拥有较高的预测精度,能够对离心泵的水力性能和声学性能起到明显的协同提升效果;优化后的外特性曲线使得最高效率点向大流量方向偏移,有效拓宽离心泵高效工作区;在额定工况时,减阻率可达2.13%,离心泵的水力效率提升3.03个百分点,增效率δ_η达4.21%,总声压级下降了4.96dB,降噪率达到3.01%。