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车用消防离心泵是消防救援队开展灭火救援作业的关键装备，其作用是在火灾现场为消防救援队提供稳定流量、高压力的消防供水，用以消防灭火及冷却保护。车用消防离心泵在使用过程中，由于进水水带布置或安装空间限制，其进水入流断面呈现非均匀流态。非均匀入流会造成车用消防离心泵水力效率和空化性能的下降，导致出水压力的降低，影响消防救援队的灭火效率和作战能力。目前，关于非均匀入流车用消防离心泵的内部流动机理及优化设计等基础理论研究极少，为了研究车用消防离心泵内流机理，建立其优化设计方法，提高运行效率，本文基于国家科技支撑计划课题（2011BAK03B05）“城市火灾扑救新型装备及应用技术研究”和国家重点研发计划课题（2016YFC0800608）“大型火场供水排烟关键装备技术与一体化消防单兵装备”，开展非均匀入流对离心泵性能和内流特性影响机理的研究，利用流量25m3/h的样泵建立车用消防离心泵优化设计方法，对CB10/90型车用消防离心泵进行优化设计，主要研究内容和创新点有：
1.掌握了非均匀入流诱发车用消防离心泵性能下降的内部流动规律。采用试验测试及数值分析相结合的方法，对直管进水和弯管进水条件下CB10/90型车用消防离心泵的能量特性、空化特性和内流结构进行了对比研究。在额定流量工况下，弯管进水车用离心泵效率降低了8%，扬程降低了7m，NPSHr增加了0.77m。非均匀入流引起车用消防离心泵内流的变化主要集中在叶轮流道前端，叶轮同一径向截面上，弯管进水泵的低压区面积明显高于直管进水泵，且存在流动偏心现象；叶片吸力面的压力低于直管进水离心泵，造成叶片工作面和吸力面的压差增大，各个叶片受力又是不均匀的，使得叶轮在径向方向的受力增加。随着流体在叶轮流道内的发展，流动逐渐均匀，至蜗壳处时其流态与直管进水泵相近。同时，叶轮和蜗壳过流损失计算结果表明：弯管进水造成叶轮水力损失增加了3m以上，蜗壳内的水力损失变化较小。内流变化和损失计算说明非均匀入流主要影响的是叶轮流场。
2.采用PIV内流测试技术获得了非均匀入流离心泵的内流特征。建立车用消防离心泵设计参数数据库，以进水弯管半径比、叶片进口安放角、叶片数、叶片包角、叶片出口安放角、叶轮出口直径、叶片出口宽度及过流面积比作为基础参数，采用无量纲化处理，使优秀水力模型的设计参数可用于优化同比转速、不同尺寸的相似泵。基于25m3/h流量的样泵，设计并搭建了非均匀入流离心泵性能试验和PIV内流测试平台，建立了试验控制系统及数据采集系统，对弯管进水离心泵的性能和内流进行了测试研究。弯管进水造成样泵扬程下降了10%、效率下降了8%、NPSHr增加了0.8m。在0.8QD、1.0QD及1.2QD工况下，弯管进水离心泵叶轮进口处流速分布明显不均匀，液流主体偏向进水弯管外壁面，近内壁面流体速度偏小。尤其在0.8QD工况下，叶轮进口处的非均匀速度分布随着叶轮内流体的流动延展至整个叶轮流道，使得叶轮各叶片受到不同的载荷作用，造成叶轮在径向方向产生一定的挠度，影响驱动轴的运行稳定性。
3.发现并掌握了影响车用消防离心泵效率的显著因素和内流机理。基于车用消防离心泵设计参数数据库，采用正交试验的方法，对车用消防离心泵的设计参数进行正交分析。建立了8因素3水平的正交表，获得了27种方案组合。27种方案的能量特性采用数值计算进行预测，计算方法通过样泵实体试验进行了验证。正交方案中，扬程最大差值8.7m，效率最大差值11.2%。试验结果经极差分析，获得了8个因素的主次顺序，叶片进口安放角、叶轮出口直径及过流面积比对泵效率影响较大。尤其是叶片进口安放角，其水平数的改变引起了叶轮进口流场的显著变化，三种叶片数叶轮方案内流的对比均表明叶片进口安放角的适当增加，有利于改善非均匀入流。
4.首次建立了基于混合算法的车用消防离心泵优化设计方法。融合了遗传算法全局搜索能力强及粒子群算法局部搜索能力强的特点，构建了遗传算法和粒子群的混合算法。通过对非均匀入流样泵进行优化，建立了基于混合算法的车用消防离心泵优化设计方法。采用数值计算和试验验证相结合的方法，对优化前后样泵的性能及内流特性进行对比分析，验证了方法的可行性。针对弯管进水CB10/90型车用消防离心泵进行了优化设计，优化后的叶轮流道内湍流结构明显改善，叶轮进口压力明显增加。叶片进口安放角的适当增加，有利于匹配非均匀入流，减小冲击损失，提高泵效率。优化后的车用泵在额定流量工况下，效率提高了4.1%，NPSHr降低了0.38m，性能提高明显。
5.掌握了非均匀入流离心泵径向力产生及发展规律。基于数值分析和经验公式计算对比，分析了直管进水和弯管进水时样泵的径向力特性，两种进水条件下样泵受到的径向力呈周期性，且周期形状相近，说明蜗壳不对称结构是引起样泵径向力的主要因素。研究了弯管进水对样泵径向力的影响程度，弯管进水时样泵径向力增加了4%左右。对比分析了优化前后弯管进水样泵的径向力特性，优化后的样泵内部非均匀流动有一定程度的改善，叶轮受到的径向力减小了2%左右。
1.掌握了非均匀入流诱发车用消防离心泵性能下降的内部流动规律。采用试验测试及数值分析相结合的方法，对直管进水和弯管进水条件下CB10/90型车用消防离心泵的能量特性、空化特性和内流结构进行了对比研究。在额定流量工况下，弯管进水车用离心泵效率降低了8%，扬程降低了7m，NPSHr增加了0.77m。非均匀入流引起车用消防离心泵内流的变化主要集中在叶轮流道前端，叶轮同一径向截面上，弯管进水泵的低压区面积明显高于直管进水泵，且存在流动偏心现象；叶片吸力面的压力低于直管进水离心泵，造成叶片工作面和吸力面的压差增大，各个叶片受力又是不均匀的，使得叶轮在径向方向的受力增加。随着流体在叶轮流道内的发展，流动逐渐均匀，至蜗壳处时其流态与直管进水泵相近。同时，叶轮和蜗壳过流损失计算结果表明：弯管进水造成叶轮水力损失增加了3m以上，蜗壳内的水力损失变化较小。内流变化和损失计算说明非均匀入流主要影响的是叶轮流场。
2.采用PIV内流测试技术获得了非均匀入流离心泵的内流特征。建立车用消防离心泵设计参数数据库，以进水弯管半径比、叶片进口安放角、叶片数、叶片包角、叶片出口安放角、叶轮出口直径、叶片出口宽度及过流面积比作为基础参数，采用无量纲化处理，使优秀水力模型的设计参数可用于优化同比转速、不同尺寸的相似泵。基于25m3/h流量的样泵，设计并搭建了非均匀入流离心泵性能试验和PIV内流测试平台，建立了试验控制系统及数据采集系统，对弯管进水离心泵的性能和内流进行了测试研究。弯管进水造成样泵扬程下降了10%、效率下降了8%、NPSHr增加了0.8m。在0.8QD、1.0QD及1.2QD工况下，弯管进水离心泵叶轮进口处流速分布明显不均匀，液流主体偏向进水弯管外壁面，近内壁面流体速度偏小。尤其在0.8QD工况下，叶轮进口处的非均匀速度分布随着叶轮内流体的流动延展至整个叶轮流道，使得叶轮各叶片受到不同的载荷作用，造成叶轮在径向方向产生一定的挠度，影响驱动轴的运行稳定性。
3.发现并掌握了影响车用消防离心泵效率的显著因素和内流机理。基于车用消防离心泵设计参数数据库，采用正交试验的方法，对车用消防离心泵的设计参数进行正交分析。建立了8因素3水平的正交表，获得了27种方案组合。27种方案的能量特性采用数值计算进行预测，计算方法通过样泵实体试验进行了验证。正交方案中，扬程最大差值8.7m，效率最大差值11.2%。试验结果经极差分析，获得了8个因素的主次顺序，叶片进口安放角、叶轮出口直径及过流面积比对泵效率影响较大。尤其是叶片进口安放角，其水平数的改变引起了叶轮进口流场的显著变化，三种叶片数叶轮方案内流的对比均表明叶片进口安放角的适当增加，有利于改善非均匀入流。
4.首次建立了基于混合算法的车用消防离心泵优化设计方法。融合了遗传算法全局搜索能力强及粒子群算法局部搜索能力强的特点，构建了遗传算法和粒子群的混合算法。通过对非均匀入流样泵进行优化，建立了基于混合算法的车用消防离心泵优化设计方法。采用数值计算和试验验证相结合的方法，对优化前后样泵的性能及内流特性进行对比分析，验证了方法的可行性。针对弯管进水CB10/90型车用消防离心泵进行了优化设计，优化后的叶轮流道内湍流结构明显改善，叶轮进口压力明显增加。叶片进口安放角的适当增加，有利于匹配非均匀入流，减小冲击损失，提高泵效率。优化后的车用泵在额定流量工况下，效率提高了4.1%，NPSHr降低了0.38m，性能提高明显。
5.掌握了非均匀入流离心泵径向力产生及发展规律。基于数值分析和经验公式计算对比，分析了直管进水和弯管进水时样泵的径向力特性，两种进水条件下样泵受到的径向力呈周期性，且周期形状相近，说明蜗壳不对称结构是引起样泵径向力的主要因素。研究了弯管进水对样泵径向力的影响程度，弯管进水时样泵径向力增加了4%左右。对比分析了优化前后弯管进水样泵的径向力特性，优化后的样泵内部非均匀流动有一定程度的改善，叶轮受到的径向力减小了2%左右。