结合计算流体力学和优化技术而形成的气动外形优化设计是支撑现代飞行器气动设计的可靠技术手段。经过40多年的发展,基于梯度的直接优化方法和基于代理模型的优化方法已经成功地应用于气动外形优化设计。但是,随着航空科技的发展,气动外形优化设计所面临问题的复杂性逐步提高,仍存在一些新的复杂问题尚待解决。本文主要关注如下两个问题:一、飞行器在设计和使用过程中,会遇到各种各样的不确定性因素。而传统的气动外形优化设计方法是确定性的优化设计方法,无法评估这些不确定性。对于气动设计中的不确定性问题,需要高效地定量评估不确定性因素对气动特性的影响;需要发展高效的基于不确定性的气动优化设计方法。二、随着气动设计中的工程问题越来越复杂,气动设计面临的设计参数大幅增多,使得气动外形优化设计成为高维、多峰值的非线性优化设计问题。从优化方法的角度讲,基于梯度的直接优化方法,很容易陷入某个局部极值。而基于代理模型的优化方法对高维的优化问题会出现模型精度难以保证,寻优难度大幅加大,计算量出现“维数灾难”等问题。因此,需要发展新的技术途径及方法来解决此类高维气动优化设计问题。本文的研究内容如下:(1)围绕气动优化设计中所存在的不确定性问题,本文采用主成分分析方法描述几何外形不确定性并获取主要几何变形模态,并采用基于回归分析的非嵌入式混沌多项式方法进行了考虑几何外形不确定性的气动特性不确定性及全局灵敏度分析。此外,为了解决基于Galerkin投影的非嵌入式混沌多项式方法的计算量随着维数呈指数增长的问题,本文发展了一种基于稀疏网格积分和Galerkin投影的非嵌入式混沌多项式的气动特性不确定性分析方法,并进行了考虑飞行条件和几何外形不确定性的气动特性不确定性及全局灵敏度分析。气动特性的不确定性分析结果说明,跨声速流动存在的激波及边界层干扰等非线性流动特性是气动特性剧烈波动的原因。通过全局灵敏度分析,可定量评估每个不确定性因素的贡献以及变形模态对气动特性影响,从而为后续加工制造的误差控制提供有益参考,也可为后续设计工作中进一步减缩变量提供定量指导。(2)为了在气动外形优化设计中考虑不确定性并削弱这种不确定性对优化设计结果的影响,本文进行了基于不确定性的气动稳健性优化设计方法研究,发展了一种高效的自适应气动稳健性优化设计方法。该方法采用非嵌入式混沌多项式方法和Kriging模型构建一个包含气动特性随机特征的随机代理模型,并根据历史优化数据自适应更新随机代理模型。稳健性优化设计的结果表明,所发展的自适应稳健性优化设计方法能够高效地获取更好的优化结果。与初始翼型的气动特性相比,稳健性优化设计能够很好地实现减阻的同时,降低阻力特性对不确定性因素的敏感程度;与确定性优化的设计结果相比,稳健性优化设计得到的翼型的阻力特性波动更小但是阻力略微增大。说明了稳健性优化能很好地均衡气动性能和稳健性。(3)随着气动外形优化设计所面临问题的日益复杂,设计维数大幅增高,会导致当前气动外形优化设计方法的优化效果降低。本文围绕着当前气动外形优化设计中所遇到的高维问题,率先从研究高维、昂贵、黑箱优化问题的本质出发,开展了针对高维气动优化问题的优化方法研究。主要有以下两方面工作:1.基于变换的思想,发展了一种基于本征正交分解和类别函数变换方法的参数空间变换方法,通过参数空间变换,在保证原始高维参数化方法描述外形潜力的同时,降低设计参数的个数,这样可以大幅减小优化设计的难度。2.基于分解的思想,提出一种自适应的基于高维模型表示的高维气动优化设计方法。该方法采用高维模型表示方法将高维模型建模分解成一系列低维模型的建模,进而通过优化算法调用所建立的高维模型进行优化。高维气动优化设计的结果表明在模型参数与优化参数相同情况下,该方法比基于代理模型方法需要更少的计算时间并能获得更好的优化效果。