燃气轮机与国家能源工业、航空工业息息相关,为了提升其性能就得提高涡轮叶片的承受温度。如何合理地进行叶片的换热计算是燃气轮机研发设计的关键问题之一。先进的冷却结构可以最大程度地利用冷却空气。在保证燃气轮机运行效率和功率输出的前提条件下,多种换热元件搭配出的复合冷却结构,使冷却空气分配到需要防护的部位,综合各种冷却技术产生全局较优的冷却效果。随着计算机技术和流体力学仿真技术的发展,很多机构都投入人力和物力研究复合冷却结构的建模和数值模拟方法。为反映涡轮叶片冷却通道中流动工质参数分布情况,指导冷却结构的设计,本文从一维流动原理的研究出发,开发出一套适用于计算冷却流路的管网算法。本文编写的求解部分囊括了很多换热元件的流阻与换热特性计算,压力求解和温度求解交替进行。与构建管网模型的前处理程序一道,形成特有的解决方案。采用文献中U型带肋通道的换热试验验证了管网程序的可行性,获取的各段平均参数与试验结果趋势一致。在此基础上,调用外流场计算程序,对叶片壁面划分出横向和纵向的单元,通过耦合插值程序在每个交接面单元建立内外流场上的联系,形成耦合算法。本文选用C3X叶片的换热试验,对耦合算法进行了验证。通过验证表明,叶壁温度和换热系数皆与试验测值有基本一致的分布趋势,最高温度出现区域符合预期。对比商用软件CFX的仿真结果,可知管网耦合程序能可靠地获取气冷叶片的冷却效果,需要防护的部位能准确预估,但是计算耗时和对电脑硬件资源占用量都比CFX少很多。引入参数化建模原理,编写了适合复杂冷却结构几何更新程序。结合管网耦合方法快速预估冷却结构换热效果的特点,统一调配参数化建模和前、后处理等模块的数据传递,构建起可进行方案设计和具体结构设计的HIT3D-Coolnet设计平台。在参考叶型的基础上,设计出冲击孔—双层壁—气膜复合冷却结构。为探究这种复合冷却宜采用哪种合适的构架,本文将基于管网耦合计算平台的方案设计应用于几种不同的进气方式和出流方式冷却方案。管网耦合程序计算了几种方案的内部流场、温度场,从所获叶片外壁温度分布图以及温度计算值的对比可知,第二种双层壁方案的平均温度最低,冷却效果相对较好,故作为初选方案。在吸力面双层壁窄通道对应的壁面位置降温效果非常显著,尤其是该侧气膜孔出口附近,出现整个叶壁最低温度。CFX的详细三维仿真结果显示,冲击射流在窄腔内的扩散形成扁平的椭圆旋涡。高旋度的冷气扰动使腔内壁的热量迅速被带走。围绕腔壁的贴壁流线被卷吸返回至旋涡核心区,发生剧烈的热交换。吸力侧气膜孔的后方也发展出涡旋结构。吸收腔壁的热量通过卷绕传递给上涌流,从孔口出流带至叶片外,使腔内保持较低温度。但是初选方案还存在着压力面气膜孔燃气倒灌,后段局部温度偏高,温度梯度较大的问题。因此在温度场和流场的分析结果上,提出几个改进措施来完善设计。改型设计弥补了所选方案的缺陷,将双层壁复合结构的冷却性能在叶片两侧都得以发挥。压力侧气膜孔顺利出流,使冷却空气防护到该侧后方区域,显著降低了尾部局部高温。为了研究管网耦合算法在工程上的应用,选取具有内部复合冷却结构某型高压动叶做模拟计算。基于原型的改型结构增大下部弯头半径,并在后部通道间添加贯通孔。采用参数化的建模手段,依托HIT3D-Coolnet设计平台中可调的、快速更新的几何造型模块,重构叶片腔体模型。带肋通道的肋高、肋倾角,冲击冷却的冲击孔径、冲击距离,气膜冷却的孔径、等作为换热元件特征参数,控制叶片内部气冷结构的准确构建。相比高压动叶的原型,弯头的改进使得后部叶根的局部高温显著削弱,结合贯通孔的引入,叶片后部的高温区向后收缩。贯通孔为尾缘通道带来横向的补气,经由尾缝流出,增强了劈缝出口局部换热。基于管网耦合方法的设计平台提供接口连接iSiGHT-FD,后者调用平台上的各种模块建立起自动化优化流程。对于高压动叶复合内冷结构,采用MIGA优化算法在多维设计空间中搜寻最优参数组合,用于冷却结构的细节优化。优化后叶片的平均壁温降低显著。经CFX模拟,改善效果得到确认,本文的设计思路和计算分析方法对新型涡轮气冷叶片的设计研发具有一定的指导意义。