近年来,随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）理论的快速发展和计算资源的不断丰富,飞行器气动设计愈加精细化。为了追求极致的气动性能,气动外形优化设计方法得到了广泛的关注和研究,成为了一种重要的设计工具,并开始在工程实践中发挥重要作用。跨声速民用客机设计问题作为其中的典型代表,正在向高可信度、构型复杂化、设计变量快速增加的方向发展。对于此类多部件高维问题,本文主要考虑采用梯度类优化方法,而现有方法还存在着减阻机理分析困难、梯度类优化算法陷入局部最优、针对多种部件外形的参数化能力不足、优化过程的稳定性和效率下降等问题。针对上述不足,使用基于雷诺平均N-S（Reynolds-Averaged Navier-Stokes,RANS）方程的流场求解方法,本文研究工作摘要如下:1、提出使用混合速度损失公式来提高现有远场阻力分解方法的稳定性,并发展了一种新的基于涡量的区域识别函数,用于识别粘性区域和翼尖涡。基于远场小扰动假设和高斯积分定理推导得到各阻力分量定义式,并将现有的公式统一变换到相同的形式下,从而便于使用混合公式。针对远场法的各阻力分量缺乏风洞试验结果进行验证的问题,选用一系列二维、三维的无粘、有粘算例,说明远场法能够正确地捕捉流动现象,从而证明其预测精度。2、提出使用极值点邻域尺度假设和概率理论,来估算基于梯度优化算法的随机初始优化过程陷入局部最优的概率;使用该概率理论建立了随机优化停止准则,并应用于随机初始梯度优化方法中,可将陷入局部最优的概率降低至给定阈值。另外从实际问题出发,研究了ADODG（Aerodynamic Design Optimization Discussion Group）case2的跨声速二维有粘RAE2822优化问题、ADODG case6的亚声速三维无粘机翼平面形状优化问题和ADODG case4的跨声速三维有粘CRM（Common Research Model）机翼剖面优化问题的多极值特性,借助远场阻力分解方法分析了各阻力分量的减阻潜力,并揭示了各种设计变量对于多极值性质的影响,说明了梯度类优化方法的适用范围和使用策略。3、引入坐标变换方法和虚拟框方法,改进得到了适用于更多种类外形的广义坐标FFD（Free-Form Deformation,FFD）方法。以圆柱类外形为例,使用坐标变换方法重构FFD核心映射公式,能够着重捕捉圆柱类外形的变形特征,从而提高了对机身和短舱等外形的精细化设计能力。虚拟框方法可用于保持控制体边界处的曲面的导数和曲率连续。采用圆柱变形、三维短舱外形拟合和钝头体外形优化算例,证明改进方法良好地体现出了这些外形的径向变形特征,并保持了曲面光滑、导数连续。4、提出了基于B样条节点插入方法的动态自适应FFD参数化和优化系统,以提高优化过程的稳定性和效率。使用最优度和优化历史斜率作为两种自适应时机准则;使用梯度和约束雅可比矩阵,构造了自适应度量函数作为自适应位置准则,以选取自适应参数化所需的新插入节点。结合流场求解方法、基于伴随理论的梯度求解方法、优化算法和网格变形方法,分别建立传统梯度类优化系统和动态梯度类优化系统。在跨声速二维圆柱外形优化算例中,传统梯度类优化方法收敛失败,而动态自适应优化方法收敛正常;在三维跨声速CRM机翼外形优化算例中,与传统优化方法相比,动态自适应优化可将优化迭代次数降低约5%。5、使用上述梯度类优化系统,针对跨声速民用客机CRM标模开展气动外形优化设计研究。在CRM机身-机翼构型单点机翼优化中,在厚度不减小的约束下获得了完全无激波结果,阻力系数降低0.00077。阻力分解结果表明,诱导阻力减小值在总减阻量中占比达到24.7%,说明其影响不可忽视。经过多次随机初始外形优化,该算例只优化得到了唯一一个极值点,没有发现其他极值点。之后,分别进行翼梢单独优化和机翼-小翼共同优化,共同优化结果的减阻量比二者分别单独优化结果的减阻量叠加值高0.00122,表明了动态自适应参数化方法能够改善优化效果,另外还说明机翼-小翼耦合设计可以挖掘更多的减阻潜力。针对CRM机身-机翼-挂架-短舱构型,首先进行短舱单独优化以探索其减阻空间,之后使用动态自适应参数化方法进行机翼-短舱一体优化,得到了完全无激波结果,阻力系数降低了0.00115,大于CRM机身-机翼构型机翼单独优化减阻量。诱导阻力减小量占总减阻量的34.9%。该结果证明了改进参数化方法对于机翼外形和短舱外形都具备良好的参数化能力,且一体优化得到了比各部件单独优化更大的减阻量。