气动外形优化设计是一门研究利用计算机及相应的数值方法对飞行器气动外形进行优化以提高其气动性能的学科,目前已在航空工业界中获得了广泛的应用。气动外形优化设计的关键技术主要包括CFD流场求解、外形参数化、网格变形、优化算法等。其中,优化算法是优化设计的顶层架构,决定了优化设计的基本策略。按照是否需要求解梯度,优化算法可以分为梯度算法和无梯度算法。其中,无梯度优化算法的计算量随设计变量个数基本成二次幂或者更高的趋势增长,在大规模设计变量的气动优化设计问题中应用较为困难。而梯度优化算法的计算量随设计变量个数基本呈线性趋势增长,相比于无梯度算法,其在大规模设计变量问题中效率更高。为了在气动优化中应用大规模设计变量,进行精细化的外形设计,本文针对采用梯度优化算法的气动外形优化设计方法开展研究,构建相应的优化程序,主要进行了以下几个方面的具体工作:1、针对气动优化中涉及的飞行器外流场求解问题,采用一种Newton-Krylov方法实现了定常流场RANS方程的高效求解。编制了一套基于有限体积法的三维结构网格CFD求解器,其中,采用了二阶中心差分空间离散格式以及Spalart-Allmaras一方程湍流模型。在时间格式方面,分别实现了五步Runge-Kutta显式时间格式、DADI半隐式时间格式以及基于GMRES算法的Newton-Krylov全隐式时间格式。在此基础上,采用了首先以显式或半隐式时间格式进行流场初始化推进,待方程收敛到一定程度之后再启动全隐式时间格式的求解策略,从而形成了一种高效的定常流场求解方法。2、通过多块对接方式提升了FFD自由变形技术的应用能力,在飞行器外形一体化设计中,实现了多部件一体参数化。首先,推导了FFD外形参数化算法,并采用B样条基函数代替原始算法的Berstein基函数以提高局部变形特性。其次,采用了一种直接搜索-牛顿迭代的混合搜索算法对FFD局部参数坐标进行求解。最后,通过发展的多块对接FFD技术实现了飞行器外形设计中多个部件的一体参数化,参数化过程直接对CFD表面网格进行操作,可实现气动外形的连续变化,并保持原有的外形属性及拓扑关系。在此基础上,通过FFD控制体的整体操作,可以在气动优化过程中对平尾进行整体偏转,实现力矩配平约束。3、采用IDW逆距离权重插值算法,构造了空间网格变形模式,实现气动外形优化设计中的空间网格自动更新。该算法同时考虑网格变形中产生的位移和扭转,通过四元数法对扭转变形进行计算,将每一个表面网格单元的变形通过逆距离函数传播到空间。算例证明,该方法具有较好的鲁棒性,在外形发生较大变形情况下,仍能完成空间网格的自动更新,并且保持较好的网格质量,满足CFD计算的要求。4、基于自动微分技术和GMRES算法对RANS方程的离散伴随方程进行构造和求解,进而实现了气动目标函数相对大规模设计变量导数的高效计算,为在气动外形优化设计中应用梯度优化算法建立了技术基础。首先,对于离散的伴随方程进行了推导。进一步,对于离散伴随方程形成的大规模线性方程组,采用了预处理的广义最小残量法GMRES进行求解。其中,对于转置的Jacobian矩阵同向量的乘积,采用了反向模式自动微分方法计算,从而避免了显式的构造并存储大规模矩阵,节省了计算机内存。通过与有限差分方法所得到的导数计算结果进行对比,表明构造的伴随方程所获得的导数具有较好的精度,并且其计算量与设计变量个数基本无关。5、结合RANS方程流场求解、FFD外形参数化、IDW网格变形算法、离散伴随方程与序列二次规划算法SQP,构建了基于梯度的气动外形优化设计程序系统,适用于大规模设计变量的气动外形优化问题。在此基础上,分别针对翼身融合体布局飞行器外形、常规布局宽体客机的机翼-机身-平尾构型,开展了气动外形优化设计研究。优化结果表明,在翼身融合体布局优化设计中可以实现巡航点的自配平,同时显著降低多个设计点的阻力;在民用宽体客机构型优化中,可以显著降低气动阻力,并且在优化设计中自动偏转平尾,以实现优化结果的俯仰力矩配平。6、在非常规布局翼身融合体构型的气动外形优化设计中,研究了力矩配平约束对于展向升力分布和几何扭转分布的影响。在常规布局民用客机机翼-机身-平尾构型的气动外形优化设计研究中,对于有/无平尾配平约束条件及有/无平尾外形设计变量这几种情况下的优化设计结果,进行了比较分析,研究了平尾配平约束以及平尾的外形变化对于减阻优化设计结果的影响。提出了一种计算平尾配平阻力的代理模型方法,通过这种方法可以对无平尾构型进行考虑配平约束的优化设计。