离心压气机在工业中应用广泛，最具代表性的是运用在压缩机、涡轮增压器和涡轴、涡桨发动机中。随着科技的飞速发展，在国民经济和国防科技中对离心压气机性能的需求也越来越高。现代离心压气机正向着更高负荷方向发展，叶轮通道内的流动状态随之趋于复杂化，深刻认识通道内部的复杂流动、如何改善和提高性能成为研究的关键。近些年国内外广泛开展针对高负荷离心压气机的设计理论和设计方法的数值计算和实验研究，低成本、短周期的全三维数值模拟成为热点。本文对NASA低速离心叶轮LSCC和德国宇航局Krain H等人设计的高压比离心压气机进行了数值验证，通过分析高压比离心压气机内部流动状况，进一步认识高转速下的半开式结构使端壁损失和叶顶泄漏损失不可避免，以及进口叶顶的激波损失、激波与附面层相互干扰引起的分离流动、通道中的二次流损失、尾迹损失、叶轮与扩压器的相互作用等造成了离心压气机的主要损失来源。探讨了高负荷离心叶轮通流几何形状的设计思路和提高性能的方法。借助商业软件研究了钝形、圆形、椭圆形等不同前缘和尾缘形状的影响，椭圆形较钝形前缘使压比高5%，效率高2%。讨论了气动掠形在离心压气机中的作用，通过改变前缘前掠和后掠角度以及不同的掠高来控制端壁损失和叶顶激波结构，全叶高的前掠使流量最大增加2%，效率最大提高1%。在Krain H等人的高压比离心叶轮的基础上改变分流叶片组成形式，设计了包括单侧小叶片、双侧小叶片在内的不同形式叶轮，利用不同形式的分流叶片来调节离心叶轮通道中的复杂流动，可使叶轮重量最大减轻约11%，效率最大提高2%。此外，在较优不同分流叶片设计方案中通过不同的中、小叶片前缘掠形，探索了中叶片和小叶片前缘前掠和后掠对叶轮的影响，结果表明，中、小叶片合理的掠形可以调节分通道中的流动状况，进一步提高不同分流叶片离心叶轮的气动性能。本文还研究了较优分流叶片离心叶轮与叶片扩压器的相互作用，叶轮与扩压器的相互干涉对级性能的影响明显，扩压器的设计对提高离心压气机负荷具有重要的意义；翼型扩压器、大小叶片扩压器对减小损失、提高级性能有利。