高温气冷堆作为最新一代核能技术,有着巨大应用空间。核用离心叶轮作为核心部件,其气动性能和结构稳定性直接影响着核电站运行安全。然而,狭长弯曲的叶轮流道使叶片对流体的流动控制困难,流体产生强烈的二次流动现象,影响叶轮气动性能。此外,采用叶轮整体数控加工的方法可以解决分体式加工方法导致叶轮结构强度不足的问题,但其受叶轮几何结构限制大。为控制核用离心叶轮内二次流和改善叶轮整体数控的结构可加工性,本论文首先对叶轮三维反问题设计方法进行了程序编制,并将之应用于核用离心叶轮设计;其次,提出了一种闭式叶轮整体数控铣削加工方法,构建了一个更加自主客观的多目标优化设计系统;再次,提出了一种基于无量纲旋转静压系数差的二次流控制方法,实现对叶轮内二次流的优化控制;最后,在兼顾叶轮可加工性能基础上,对叶轮开展了三目标优化设计。论文的主要研究内容和成果如下:（1）基于三维反问题设计理论,将笛卡尔坐标系下流动控制方程转化到贴体坐标系下,采用有限差分法对流动方程进行差分离散,并以MATLAB为语言工具,实现了叶轮三维反问题设计的程序编制;在叶轮设计过程中,通过将叶片载荷分布给定为“三段线”的分布方式,实现了叶片载荷的给定与叶轮轴面形状参数相分离,提供了叶片载荷分布和叶轮轴面形状独立优化研究的可行性;将三维反问题设计方法应用于核用离心叶轮的设计,在给定叶片均匀载荷分布和尾缘无倾角条件下,设计出叶轮的初始模型。（2）根据闭式离心叶轮结构特点,提出了一种分别从叶轮入口和出口对闭式叶轮进行整体数控铣削加工的方法;叶轮的叶片包角和进口安放角受到叶片载荷和叶轮轴面形状的影响,对叶轮结构可加工性影响大,且叶片载荷和叶轮轴面形状对叶轮可加工性的影响是有交互作用的;基于叶轮设计和加工方法,构建了一个更加自主客观的多目标优化设计系统,其构成有:最优拉丁超立方试验设计、叶轮三维反问题设计、全流道数值模拟、叶轮加工仿真、数据分组处理（GMDH）神经网络构建、基于参考点的非支配分类遗传优化算法（NSGA-Ⅲ）以及基于熵权法的逼近理想解排序评价方法（TOPSIS）。（3）为抑制叶轮内二次流,提出了一种基于无量纲旋转静压系数差的二次流控制方法;通过控制离心叶轮叶片压力面和吸力面无量纲旋转静压系数差,可以有效地实现对叶轮内二次流的控制;叶片载荷分布参数SLH、SLS和叶片尾缘倾角θst对于叶轮无量纲旋转静压系数差有重要影响;给定在轮盘位置叶片后向载荷分布和轮盖位置叶片前向载荷分布,可以降低叶片吸力面无量纲旋转静压系数差,恰当的负值叶片尾缘倾角也有利于降低叶片吸力面无量纲旋转静压系数差;相较参考叶轮,优化后叶轮内二次流动得到明显抑制,在设计点效率提升了1.32%,高效运行区域得到明显拓宽。（4）为同时提升叶轮气动性能和结构可加工性能,采用正交试验设计和极差法对叶片载荷分布参数和叶轮轴面形状参数进行极差分析,发现SLH、SLS、RH和ZS四个变量对目标值影响大;基于这四个设计变量,以叶片吸力面无量纲旋转静压系数差、叶轮气动效率以及叶轮数控加工后残余毛坯体积为优化目标,对叶轮开展三目标优化设计,结果表明:对于三目标优化问题,相较NSGA-Ⅱ算法,NSGA-Ⅲ算法优化得到的帕累托前沿解分布更均匀,遍布范围更宽广;相较NSGA-Ⅱ算法优化的叶轮,NSGA-Ⅲ算法优化的叶轮虽然在气动性能上略差,但在结构可加工性能上得到很大改善;NSGA-Ⅲ算法优化的叶轮在轮盘和轮盖处叶片均为前向载荷分布,其轮盘轴面投影线更平直,轮盖轴面投影线更弯曲;经计算流体动力学（CFD）和计算机辅助加工（CAM）仿真计算,相较参考叶轮,NSGA-Ⅲ算法优化的叶轮设计点效率提升了0.37%,加工后残余毛坯体积下降了36%;叶轮加工试制试验显示:叶轮流道被加工贯穿,毛坯被完全去除,这验证NSGA-Ⅲ算法优化的叶轮整体结构铣制加工的可行性。