旋转流动是科学研究和工程应用中非常普遍的一种流动形态,在飞行器推进系统、能源转换系统、生物性血液流变循环以及地球气候生态结构等研究领域有着重要的应用。但是传统的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法会严重制约数值计算的效率和缺乏对旋转流动现象的进一步深入分析的能力,特别是在大规模伴随优化计算领域和旋转流场的涡系结构等方面的分析。因此,在确保计算有效性的同时,如何促进对旋转流动的CFD分析的深度和效率就成为了亟待解决的问题。本文利用恰当正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)方法能够高效、分层次计算的优势,提出了针对旋转流场的重要物理参量的主流动模态、流动低阶重构与预测的计算和分析方法。在此基础上,进一步提出了对于拓展的非时间参量维度的POD流场预测算法。最后,基于Gappy-POD方法提出了针对旋转流场的相关迭代优化设计算法。为更全面深入的理解旋转流动的物理机制和POD方法在复杂旋转流动的分析提供了有利的支持。本文的主要研究内容如下:(1)基于POD-Sirovich方法构建了对于旋转流场的重要物理参量的POD流动模态相关算法。结合时域离散的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)给出了旋转流场相关流动参量的POD时间系数的频谱变换计算方法,并给出了旋转流场POD模态分析的实现流程,并通过算例进行了验证。然后,利用算例在对应坐标系中的充分发展的旋转流动对应的全阶数值计算结果,对相关参量的流动模态、本质信息含量特征以及时频特征进行了相应的分析。(2)基于POD模态以及时间系数的相关算法,给出了描述全局及特征点处的旋转流动的高精度低阶重构方法和实现过程,对重构误差进行定量描述。通过算例研究了采用不同模态阶数进行重构的全局以及局部误差。(3)利用三次样条插值方法给出了旋转流动的POD高精度低阶预测形式和预测误差的定量描述方法。算例表明,基于POD方法的流场预测精度要比基于线性插值的预测精度高。比如,在径向速度场的预测中该线性插值方法的叶尖环向区域的最大误差值较前3阶POD预测高约2.2%,其与前15阶预测解的最高误差水平存在数量级上的差异。(4)基于POD常规算法提出了一种对旋转流动中相关非时间参量维度进行拓展分析的改进POD算法,给出了该拓展算法的流动模态、相关系数和流动重构、预测及相应误差分析的计算方法和实现过程。对于复杂三维流动,提出了基于特征面的等效减缩子样本,可极大的减小相应复杂CFD数值模型的计算量。最后,采用该算法对新型风力机叶轮3D尾迹的复杂旋转流动进行了相关的计算和分析。(5)采用了系统缺失数据逼近修复的Gappy-POD方法,提出了对旋转流场迭代优化设计的算法,给出了基于Gappy-POD方法的旋转流场的瞬像空间形成和相应的旋转流场的迭代计算方法和实现过程。最后,通过简化的旋转轮毂流场算例对该算法进行了相关的验证和分析。本文研究工作表明,这里提出的旋转流动的POD模态、重构与预测分析算法,以及非时间参量维度的拓展POD算法和针对旋转流场的Gappy-POD设计优化算法都是合理有效的。该系列算法不仅能够提高旋转流动分析中的大规模数值计算的效率以及实现相关的优化设计,还有助于进一步分析和理解复杂的旋转流动问题,从而为相关的工程实际中旋转流动的分析和应用提供理论参考。