叶轮是离心泵的重要元件，泵的性能在很大程度上取决于叶轮设计的优良程度。叶轮设计包括基本外尺寸(进出口宽度、内外半径、叶片进出口安装角及叶片数)的确定和叶片造型设计两部份。在蜗壳和叶轮的基本尺寸确定的情况下，叶片型线对泵的整体性能有着重要影响。 本文在对离心泵内部流场进行全三维数值模拟的基础上，建立了关于叶片型线优化设计的数学模型。该模型以叶片长度最短为目标函数，相对半径-r=0.5处无回流为约束条件，可以快速地设计出最佳的叶片型线。 本文对一有着广泛用途的离心泵叶轮的外尺寸作换算，采用该数学模型，研究基于高次曲线的叶片型线的优化设计问题，使用黄金分割法获得了优化后的叶轮C9。为了检验优化模型的正确性，将叶轮C9和其余三副叶轮C1、C5、C13制作成模型，四副叶轮具有相同的外尺寸，其中C5与圆弧型叶轮的型线非常接近。在同一试验台上测得泵性能曲线，试验结果表明叶轮C9的总体性能优于其它三副叶轮的性能，证明该优化设计模型是合理的。 对叶轮C5、C9在0.5、1.0倍的设计流量工况下，运用二维PIV相位平均技术，详细测量了叶轮在五个不同的相位处，靠近隔舌附近的叶槽内的流场，发现即使在设计工况下叶轮C5内也有回流，而叶轮C9内没有回流。 研究了蜗壳对称面上第八断面内的速度矩随半径的变化规律。小流量工况下，速度矩随半径的增大呈先减小后增大的趋势，最小的速度矩约在R/R2=1.2～1.4之间。在设计流量工况点，只有叶轮C13内速度矩随半径的变化近似于常数，其它三副叶轮不符合速度矩守恒规律。 使用三维PIV对C5叶轮的一个叶槽进行分区测量研究，获得到了叶轮内相对流速径向和切向分量随半径的变化规律及不同半径上的二次流分布。 针对PIV实验数据，本文提出了基于质量守恒方程的相对误差分析方法。研究发现：对于存在较大的轴向流速的区域必须用三维PIV来测量。本文所测得的速度场具有较高的相对误差精度，测量数据可靠。 本文将四副转轮的全三维整场数值模拟结果与实验数据进行了比较，分析了误差存在的原因。详细分析了蜗壳及叶轮内的流场、压力分布规律。