近年来,随着人们对变工况性能的追求和VGT(Variable Geometry Turbocharger)技术的推广,宽广的流量范围同压比、效率一样对压气机而言显得越来越重要。目前,进气回流机匣处理不失为一种快捷、经济、可靠的拓宽特性曲线(MWE,Map Width Enhancement)装置,但其往往伴随着压气机性能的降低。本文利用CFD(Computational Fluid Dynamics)技术预测并研究了压气机的性能及内部失稳和扩稳机理,为工程实际中回流槽的位置和大小的选取提供了设计依据。此外,从实际工程应用的角度出发,首次在机匣处理级环境下对叶轮主要结构参数,开展了多工况多目标自动优化工作,全面提高了压气机的整体气动性能,避免一般气动优化工作中顾此失彼的问题。本文的研究对象为一小型涡轮增压器的压气机,其叶轮为前倾后弯叶轮并带有进气回流机匣结构,静止部件采用无叶扩压器和蜗牛形蜗壳。首先对叶轮和蜗壳进行了实体建模,接着将CFD模拟结果与试验数据进行对比,验证了本文方法的可靠性和正确性。同时,对实壁机匣和处理机匣压气机的内部流场进行对比分析,发现叶顶间隙泄漏气流在通过激波过后迅速扩大对失速有着重要影响,开槽位置位于激波之后效果最佳。此外,本文对机匣相关结构参数做了简要的敏感性分析,结果表明回流槽的位置和大小对压气机性能有着较大影响。由于机匣处理一定程度上降低了压气机的性能,为了弥补这一缺憾,本文在有机匣处理压气机模型下,对叶轮的相关结构参数,如进口叶片角、出口后弯角、叶片前倾角、分流叶片前缘子午位置和角度等,在NUMECA软件平台上实现自动优化,使得新叶轮与机匣结构更加匹配。同时,为了兼顾扩稳后宽广的流量范围,此次优化选取了大、中、小三个工况点,在级环境下以极大化压气机整机的压比和效率来设定目标函数,最大程度恢复其性能。最终,优化模型内部流动情况得到明显改善,压比提高6%和效率提高2%。分析表明在级环境下进行多工况优化十分必要,不仅保证了压气机宽广的流量特性,而且提高了叶轮和其下游扩压系统的性能。本文的优化方法为离心式压气机的优化设计提供了一定的理论和实践参考价值。