气动外形优化设计是一门研究利用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,是飞行器设计中非常重要的组成部分。随着飞行器设计要求的不断增加以及性能目标的不断提高,飞行器气动外形设计方法也需要更精细更高效,因此需要对飞行器气动外形设计的关键技术进行研究和创新,建立高效可靠的气动优化设计。因此,针对现有的气动外形设计方法,从面向实际工程设计要求中存在的一些基础问题出发,本文构建了一套高效可靠通用的基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动优化设计方法,可对定常单目标、定常多目标、非定常单目标及非定常多目标问题进行优化求解,并利用该方法对工程优化问题的应用进行了研究。论文的主要工作如下:1.基于定常气动优化设计问题的连续伴随方程,将其推广至非定常气动优化设计问题的求解中。通过算例对比了连续伴随方程与有限差分法计算气动函数导数的结果,展示了构建的连续伴随方法求解梯度的可靠性和高效性。2.基于SLSQP序列二次规划法及连续伴随方程构建了基于连续伴随方法的气动外形优化设计系统。在SLSQP序列二次规划中,将有约束的非线性优化问题在每一个迭代步上转化为二次规划子问题。进一步结合CFD流场求解、Hicks-Henne二维参数方法及FFD三维外形参数化方法、网格变形算法及连续伴随方程求解梯度等模块,构建了基于连续伴随方法的单目标气动外形优化设计系统。3.将Stackelberg博弈与连续伴随方法相结合,发展了具备定常单目标、定常多目标、非定常单目标及非定常多目标优化能力的飞行器高保真度气动外形优化方法。在该方法中,将Stackelberg博弈作为顶层优化算法,使其领导者和追随者轮流通过调整其设计变量使其目标函数达到最优。其中每个参与者的优化采用基于连续伴随方法的气动外形优化设计系统。当领导者和追随者的目标函数不同时,该算法可以用于求解多目标优化问题,当其目标函数相同时,该算法还可以用于求解单目标优化问题。4.考虑到在利用基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计方法对气动优化工程问题进行求解时,往往牵涉到目标函数和设计变量的分配,每个参与者优化过程中迭代次数的取值等问题。本文对上述参数进行了详细研究,以优化结果和优化效率为指标,得到了几个关键参数取值的规律:将优先级较高的目标函数分配给领导者;在对设计变量进行分裂时,应保持每个子集的设计变量所形成的外形的几何连续性;将对目标函数更敏感,影响更大的设计变量分配给领导者;选择适中或偏大的参与者优化周期来快速地获得满意的优化结果。5.应用基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计方法,基于关键参数的取值规律,开展了定常流动下的工程优化问题的应用研究,分别对RAE2822翼型、ONERA M6机翼和CRM构型进行了定常单目标和定常多目标优化。优化结果表明该系统可以有效并高效地对定常单目标和定常多目标问题进行优化,并展示了关键参数设置原则的有效性。6.基于Stackelberg博弈与连续伴随方法的气动外形优化设计方法开展了非定常流动下的工程优化问题的应用研究。对NACA 64A010翼型进行了非定常单目标和非定常多目标优化,并基于动力学模态分解对优化前后的流场进行了更进一步的分析。展示了该优化方法进行非定常单目标和多目标气动外形优化设计的有效性及高效性。