旋翼是直升机的核心气动部件,它提供了直升机飞行时所需的升力、操纵力及推进力,其气动特性的优劣与旋翼桨叶气动外形有着密切的关系。设计先进直升机时往往追求较优的悬停效率及前飞升阻比,这是一个典型的多目标、多约束的优化设计问题,设计中存在着诸多矛盾和困难之处,这给先进旋翼气动外形设计提出了严峻的挑战。针对这一研究难点,本文首先发展了一套高效、高精度的旋翼非定常流场模拟方法。在此基础之上,借助于高效的粘性伴随方法开展了先进旋翼翼型多目标、多约束综合优化设计,并借助于代理模型方法优化设计旋翼桨叶气动外形来提高悬停旋翼的气动性能,从而为旋翼先进气动外形设计提供方法和技术基础。具体内容如下:第一章,主要介绍了开展旋翼先进气动外形优化设计的研究背景及重要意义,分析了国内外在旋翼流场数值模拟、直升机先进桨叶气动外形研究以及基于伴随方法的气动优化设计研究方面的技术现状以及难点,并给出了本文的主要研究内容。第二章,建立了一套适合于桨叶外形优化的旋翼运动嵌套网格策略。将桨叶外形通过翼型分布、弦长分布、气动弦线分布、扭转分布等进行描述,并基于二维剖面翼型的Poisson方程求解和网格插值、翻折方法生成绕桨叶的O-C-O型贴体正交网格;在此基础上,同时采用“扰动衍射”方法与并行化“Inverse map”方法用于洞单元的划定与洞边界贡献单元搜索,解决了运动嵌套网格技术中的相关瓶颈问题。第三章,发展了一套适合于优化计算的旋翼非定常流场的高精度、高效率CFD方法。该方法以三维非定常RANS方程为旋翼流场控制方程,采用基于格心格式的有限体积法求解流场控制方程,空间离散采用改进型的Jameson中心差分格式,时间推进则采用高效隐式LU-SGS双时间格式,湍流模型采用高精度的S-A湍流模型,并引入Open MP并行策略加速流场求解。通过与有试验结果可供对比的旋翼翼型、旋翼悬停及前飞流场及气动特性进行了详细的数值方法验证,验证了本文旋翼运动嵌套网格系统的有效性及旋翼非定常流场求解的高效及高精度特点。第四章,开展了适合于旋翼翼型优化设计的粘性伴随方法研究。针对不同的旋翼翼型目标函数(反设计、升力优化、阻力优化和力矩优化),着重推导了其相应的粘性伴随方程、物面伴随边界条件及梯度信息求解表达式,并讨论给出了粘性伴随方程相应的数值解法,建立了一套高效率优化设计方法的理论研究基础。第五章,开展了旋翼翼型多目标多约束综合气动优化设计分析工作。针对旋翼翼型设计特点,分别给出了基于悬停、前飞、机动飞行状态下相应的目标函数和约束条件,并借助于高效的粘性伴随方法对多个典型旋翼翼型开展了基于单目标多约束、多目标多约束的旋翼翼型综合优化设计,并得到了综合气动性能更优的旋翼翼型。第六章,建立了一套适合于先进旋翼气动外形综合优化设计分析的粘性伴随方法和代理模型方法相结合的混合设计方法。针对样例旋翼,首先分析各桨叶外形设计参数(翼型、扭转、桨尖形状)对悬停旋翼性能的影响,并基于混合方法开展了悬停旋翼气动外形综合优化设计,成功获得了旋翼先进气动外形设计的一些结果和经验。