精细化设计已成为现今航空叶轮机设计发展趋势,伴随优化系统是实现精细化设计的重要基础工具。鉴于自主发展航空叶轮机CFD及优化技术的重要性,以及面对国内很少自主开发基于非结构网格叶轮机流场求解程序,尚未自主开发多排叶轮机离散型伴随优化系统,以及缺乏自主开发程序而难于支撑叶轮机原创技术开发的现实局面,论文集中开发了包括非结构网格生成、流场数值模拟、离散型伴随场求解、敏感性计算、网格变形、气动外形寻优在内的基于非结构网格的叶轮机气动外形伴随优化系统,并依此对内流通道全三维一体化参数化优化潜力进行了探索和评估研究。具体研究工作如下:一、采用六面体单元转换为四面体单元的切分方法,在叶轮机叶片参数化与快速多块网格生成程序TurboPara&Gen中实现了基于多块结构网格切分的叶轮机非结构网格生成功能,使TurboPara&Gen能够快速生成无粘和粘性流场计算用的拟流面二维网格、三维网格、单排/多排网格、单排单通道/多通道网格,能够处理端区径向间隙、排间间隙、端区倒角/倒圆,并能在O+H型多块结构网格基础上快速生成非结构网格。二、开发了基于非结构网格的叶轮机流场求解程序TurboSim(un),出于通用性以及后续气弹等应用需求考虑,程序选择任意拉格朗日-欧拉形式的RANS方程,并采用SA湍流模型对RANS方程进行封闭。流动求解采用了基于节点中心有限体积方法,其中空间项采用Roe格式进行离散,时间导数项可选择1-4阶向后差分格式,为加速非定常流动时间精确求解而采用了双时间步法,流场加速技术包括多重网格、局部时间步长等。采用一维无粘激波管、层流平板流动、湍流平板流动、圆柱非定常绕流等四个经典算例对TurboSim(un)实施数值格式正确性、精度等进行了校验;并进一步选择Goldman叶栅、Rotor67跨音转子和Stage35跨音压气机级等三个经典叶轮机算例,对进、出口和周期边界条件施加正确性、非惯性项添加的正确性、跨音流场描述质量、多级叶轮机定常流场模拟能力进行了较全面的验证。三、基于非结构网格推导了网格变形处理方式下的流场伴随方程和网格伴随方程,并建立了以时间推进、GMRES方法进行线性方程迭代为主的离散型伴随场求解程序TurboAdjD;集成非结构网格生成TurboPara&Gen、叶轮机流动求解程序TurboSim(un)、几何参数化、敏感性计算、网格变形、优化算法等模块构建了叶轮机离散型伴随优化系统TurboOpt。针对叶轮机伴随优化,提出了基于子目标函数线性叠加的目标函数,分别给出了流量、总压、总温、熵、效率、压强分布等子目标函数构造;参数化采用了以Hicks-Henne函数作为基函数扰动方法。该离散型伴随优化系统避免了团队前期研究深刻地体验了连续型伴随方法的若干局限如湍流粘性伴随方程难以推导、可用目标函数少等问题。采用简单外流案例ONERA M6机翼,初步验证伴随场计算方法和优化系统流程正确性;并进一步选用Goldman涡轮叶栅、Rotor67跨音转子以及Stage35跨音压气机级为案例,从正问题和反问题模式分别验证伴随优化方法在亚音叶栅、超/跨音单转子以及多排跨音压气机级的优化能力和可靠性。四、面向解决当前叶片曲面极强空间三维性与设计思想、手段仍束缚于二维或准三维的矛盾,指出了叶轮机通道全三维一体化发展趋势,并采用通道全三维一体化参数化结合伴随优化方法对其提升叶轮机性能潜力进行了初步探索和评估研究。通过单边膨胀喷管、Goldman涡轮叶栅以及NACA65压气机叶栅案例研究,指出了整个叶片与端壁构成全三维通道一体化设计的潜力,并为未来叶轮机全三维一体化伴随优化参数化方法提供了进一步研究思路。论文在国内首次开发了基于非结构网格的叶轮机气动外形离散型伴随优化系统,并对叶轮机叶片与端壁未来一体化发展趋势进行了探索,在当前国家大力发展“航空发动机与燃气轮机”两机背景下别具重要。