旋翼的动态失速特性在很大程度上影响到直升机的前飞速度、噪声及振动水平等,因此,开展旋翼及翼型的动态失速特性研究,揭示动态失速的形成演化机理,对改善旋翼气动性能、提高直升机整体性能具有指导性作用,一直是直升机旋翼非定常空气动力学研究的热点和前沿问题。为此,本文基于高效、高精度数值模拟方法及PIV流场测量方法,开展了旋翼及翼型非定常气动特性研究,分析了旋翼及翼型在变速度下的动态失速特性,研究了有限长机翼以及旋翼展向流对动态失速特性的影响。在对动态失速机理进一步理解的基础上,提出并构建了后缘涡半经验模型,对经典的翼型非定常Leishman-Beddoes(L-B)气动模型进行了修正,从而提高了气流再附着阶段的气动载荷模拟精度。在此基础上,开展了旋翼及翼型在定常-非定常状态下的气动外形优化设计研究,获得了一些具有良好气动特性的旋翼翼型及旋翼气动布局方案。主要研究工作包括:第一章,首先阐述了直升机旋翼非定常空气动力学的研究背景,综述了直升机CFD方法、旋翼/翼型的动态失速特性及气动外形设计的国内外研究现状,并针对目前研究的不足之处,提出了本文的研究内容及研究方法。考虑到旋翼运动的复杂性和特殊性,第二章首先基于Poisson方程生成了围绕二维翼型的C型网格,在此基础上,构建了C-O型桨叶网格生成方法,并结合背景网格,建立了一套高效、适用于旋翼/翼型非定常流场求解的运动嵌套网格方法,其中,贡献单元搜索方法采用Inverse map,挖洞方法采用“扰动衍射法”。随后,基于非定常RANS方程,建立了一套高效、高精度的旋翼/翼型非定常流场数值模拟方法。为了提高计算效率,在双时间推进中的伪时间迭代中采用隐式LU-SGS方法;为了提高旋翼非定常流场中分离流的模拟精度,空间离散采用低耗散的Roe-WENO格式,流场粘性计算采用一方程S-A湍流模型。第三章,针对旋翼及翼型不同层次的优化要求,分别发展了多种优化设计方法。首先,为了满足旋翼翼型在定常状态下优化设计要求,建立了具有高鲁棒性、全局收敛特点的遗传算法。其次,综合考虑旋翼翼型动态失速优化中的计算量及约束问题,构建了适合于多目标、多约束的高效序列二次规划(SQP)算法;为了进一步提高梯度优化计算效率,提出了基于拟合函数方法的新一维步长搜索策略。最后,针对三维旋翼桨叶优化计算量较大的特点,构建了Kriging代理模型以提高优化效率;同时为了改善样本点分布的均匀性,在经典拉丁超立方方法的基础上,提出了分层拉丁超立方方法。第四章,基于本文构建的非定常数值模拟方法,分析了影响旋翼翼型动态失速特性的因素,如平均迎角、迎角振幅、来流速度、缩减频率及翼型外形,获得了一些有价值的结论。在此基础上,模拟了旋翼翼型在变速度-变迎角耦合状态下的非定常气动特性,探索了变来流速度对旋翼翼型非定常气动特性的影响机理。之后,进一步开展了有限长机翼在无展向流及有展向流状态下的动态失速特性研究,分析了展向流及桨尖涡对动态失速特性的影响。之后,模拟和分析了旋翼在不同状态下的非定常气动特性,研究了旋翼旋转及下洗流作用对旋翼非定常气动特性的影响规律。为了进一步研究旋翼翼型动态失速状态下的流场特性,在第五章开展了旋翼翼型在动态失速状态下的PIV流场测量试验,重点测量和分析了旋翼动态失速涡的特性。通过对比分析不同旋翼翼型的PIV测量结果,发现翼型外形对前缘分离涡的移动速度影响有限,但前缘分离涡在不同位置处的移动速度不同:位于翼型表面的涡的无量纲速度为0.39,位于尾迹区的涡的无量纲速度为0.55。第六章,结合翼型动态失速状态下的数值模拟及试验结果,进一步分析了旋翼翼型在动态失速状态下的流场特征,提出了翼型动态失速后缘涡模型,用于模拟翼型动态失速中后缘涡对翼型气动载荷的影响,并对经典的L-B半经验模型进行修正。通过与原始L-B模型计算结果的对比分析,修正模型能够更好地模拟出翼型的再附着过程,从而改善了翼型升力系数、力矩系数及阻力系数的模拟精度。根据不同类型直升机的特点,结合直升机旋翼的实际工作环境,第七章提出新的旋翼翼型设计状态及设计目标;结合建立的翼型流场数值模拟方法与优化方法,完成了旋翼翼型在定常状态下的气动外形优化设计。针对旋翼翼型常规优化设计中存在的不足,提出旋翼翼型动态失速状态下优化设计的新理念,完成旋翼翼型在动态失速状态下的气动外形优化设计,明显改善了旋翼翼型的动态失速特性;与此同时,优化翼型在静态状态下,具有更大的最大升力系数、更小的力矩系数及更大的阻力发散迎角。第八章,在翼型优化设计及动态失速力学机理掌握的基础上,尝试进行了旋翼在悬停状态下的桨叶气动外形优化设计,对旋翼桨叶的扭转、弦长、后掠及下反分布等桨叶外形特征进行整体优化,实现了旋翼气动载荷分布的改善,显著改善了旋翼的悬停效率,同时提高了前飞升阻比。在此基础上,为某型无人直升机的旋翼桨叶外形进行了优化设计,在不影响前飞性能的前提下,有效地改善了旋翼悬停效率。