进入21世纪,能源问题与环境问题更多地受到人们的重视。增压技术可以有效提高内燃机的燃油经济性,减少有害物质的浓度,因而在汽车、船舶、航天等领域应用广泛。离心压气机叶轮是涡轮增压器的关键零件,其设计好坏直接决定了压气机的工作性能,进而影响了增压效果。因此,提高其效率、增大其压比、扩宽其工作范围一直是研究学者的热点。目前,运用旋转机械设计软件对离心压气机结构进行设计以及流体分析软件对其进行CFD验证,是确保压气机高效、安全工作的有效手段之一。本文首先在理论的基础上建立了离心叶轮一维气动优化设计计算公式,以进口轮缘相对马赫数最小进行进口优化设计,并建立了贴近真实情况的叶轮损失模型,在保证级压比不变的情况下,运用损失模型校核出口设计,反复迭代优化出口设计。之后根据叶轮出口几何结构及气动参数计算扩压器结构及性能。同时阐述了叶片几何成型方法,本文采用Bladegen模块完成离心叶轮的叶片造型。其次,在上述理论的基础上,运用Matlab语言编制了离心叶轮优化设计计算程序及变工况预测程序。以Krain离心叶轮为例,分析比较了采用本文程序计算结果与文献实验结果,结果表明在设计工况下,本文的计算几何参数与文献基本一致,两者的叶轮效率符合很好,但级等熵效率有所偏低,在误差允许范围内。同时对比了不同转速下的整机性能,计算的级压比结果与实验结果符合较好,证明了本文设计过程及程序的有效性和可靠性。为了更好地贴合工程实际,以重庆江增船舶重工有限公司某型号废气涡轮增压器离心叶轮设计要求及性能指标为任务,对比了本文计算结果参数与实际离心叶轮参数,两者的参数相差很小,但级效率与Krain离心叶轮结果一致,偏低实验结果。同时采用CFD对该型号叶轮进行数值模拟,仿真特性曲线与样机试验符合较好,表明采用本文数值计算是可行的。最后以该叶轮的叶型为优化研究对象,提出了一种将级压比与级等熵效率等量化处理方式,从而将多目标优化转换成单目标优化,避免了对各子目标函数进行逐一取舍优化。使用Bezier曲线控制点参数化叶型,运用均匀设计确定试验样本数据库,通过CFD计算得到对应的性能响应值,对比分析了采用传统响应面法、随机性改进响应面法及规则性改进响应面方法所构建的近似模型优劣。通过剔除冗余项,使各响应面法所建立的近似模型精度均提高了约1.5%。之后,运用遗传算法进行迭代优化,确定优化叶轮。结果表明规则性改进响应面方法,不论是从近似模型拟合精度还是迭代优化效果及计算效率来说,都优于传统响应面法。同时验证了在改进响应面法中无误差中心点的选取对近似模型质量有明显影响,而采用本文提出的规则性改进响应面法取得的效果最优。最后得到的优化叶轮较原始的级压比提高了3.76%,效率增大了约3.3个百分点。对比分析了优化叶轮与原始叶轮在子午面的静压分布、速度分布、马赫数分布,结果证明了优化叶轮在出口静压确实有所提高,轮毂处分离损失降低明显,且静压分布及马赫数分布更为均匀平滑,表明优化叶轮改善了叶轮机械的内部流动状况。