人类对能源的使用能力影响着人类文明的发展历程,然而目前的能源形势是,不可再生能源的资源紧张且需求仍在日益增长。燃气轮机是一种对能源使用量大且能够高效转化能源的机械设备,被誉为“工业技术皇冠上的明珠”。我国在燃气轮机的设计及制造方面已落后于西方发达国家约30年,具体体现在缺乏对燃气轮机结构的完整性设计、对热端部件的高温防护以及关键部件的使用容限控制。为此,2015年国务院签批部署的《中国制造2025》和2017年国家发改委与国家能源局联合印发《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若干意见》,均对燃气轮机核心技术的自主研发问题予以强调。因此,加快研发具有自主知识产权的燃气轮机是促进我国重工业发展和实现强国战略的重中之重,也是快速推动我国经济发展的一项重要任务。本文结合国家“863”项目子课题《F级燃机燃烧室过渡段优化设计》,依托国家自然科学基金《仿生非光滑表面结构冲击冷却关键技术研究》,验证了射流冲击冷却技术在燃气轮机过渡段双腔室简化模型内的高温防护效果。根据冷却介质在过渡段冷却腔内的流动特性,借鉴深海长尾鲨鳃弓的定向扰流作用和新月形沙丘表面对周围流场的影响,分别设计了带有仿长尾鲨鳃弓扰流结构、仿沙丘肋式扰流结构和仿新月形沙丘表面扰流结构的换热表面。围绕上述三种仿生扰流结构的排布距离及其结构参数变化,对过渡段冷却腔内的流场与温度场进行深入研究。具体的研究工作包括:第一,本文针对燃气轮机过渡段内的流动特性和换热表面传热机理,基于计算流体力学中的控制方程、数值离散方法,结合射流冲击冷却的技术特点,选择能够适应时均应变率较大情况的Realizable k-e模型,作为过渡段冷却腔内的湍流计算模型。兼顾仿真准确性与计算效率,以近壁面函数作为换热表面上流动计算的处理办法。基于换热表面的面积平均温度和冷却腔进出口处的质量流率平均温度,定义了换热表面上与冷却腔内冷却效率的评价函数。第二,通过不同湍流模型的仿真结果与Wang的实验数据对比,确定仿真过程的正确性及可靠性,同时验证了Realizable k-e模型是本文研究过程中湍流代理模型的最佳选择。根据燃气轮机过渡段的对称性,将以冷空气为冷却介质的射流冲击冷却传热过程进行简化模拟,建立了不失一般性的燃气轮机过渡段矩形简化模型。通过对比单孔和多孔射流冲击冷却结果,分析了射流冲击冷却机理,并确定了以带有多冷却孔的燃气轮机过渡段简化模型作为后续研究对象的对比基础,同时发现冷却腔内的气压变化有利于换热表面的对流换热效率增强。第三,借鉴深海长尾鲨的呼吸过程,模拟长尾鲨鳃弓在呼吸作用中的定向扰流功能,提出并设计了带有仿长尾鲨鳃弓扰流结构的换热表面,具体可分为带有仿鳃弓扰流结构和带有仿鳃弓组扰流结构的换热表面。通过对带有仿生换热表面的过渡段双腔室简化模型进行热流场分析,并结合平均温度和冷却效率的评价方法,对影响过渡段换热表面高温防护效果的因素进行了讨论。通过对比仿鳃弓扰流结构的不同尺寸参数,发现仿鳃弓扰流结构在过渡段冷却腔内,能够通过对冷却介质的扰流作用,增加气涡的形成,有效降低换热表面的平均温度,提升换热表面的冷却效率。研究结果表明:当仿鳃弓扰流结构的宽度不变时,随着高度的增长,换热表面上冷却效率的整体变化呈递增趋势。当仿鳃弓扰流结构的高度为20.26 mm、宽度为5.13 mm时,仿生换热表面的冷却效率最高可达到14.53%。通过对仿鳃弓组扰流结构的不同参数设计,经对比分析,认为当仿鳃弓组扰流结构与冲击靶点距离的排布距离为20 mm时,能够对冷却介质形成明显的扰流作用,并提升过渡段冷却腔内的湍流动能最大值和冲击靶点周围的对流换热效率。通过对比仿鳃弓组扰流结构的宽度和高度两个参数设计,发现两个矩形肋可对冷却介质进行多层扰流,增加气涡的形成机制,实现过渡段内冲击冷却的高温防护效果达到最大化。当仿鳃弓组扰流结构的宽度5 mm,高度10 mm时,冷却腔内的冷却效率最高,可以达到32.5%。第四,借鉴新月形沙丘表面对周围流场的影响,首先研究了新月形沙丘表面的形成原理,然后根据Andreotti等建立的新月形沙丘表面二维连续模型,设计了仿沙丘肋式扰流结构;根据Hersen建立的新月形沙丘表面三维连续模型,设计了仿新月形沙丘扰流结构。最后,分别对所有带有仿生换热表面的过渡段双腔室简化模型进行热流场分析,并结合平均温度和冷却效率的评价方法,对影响高温防护效果的因素进行讨论。通过设计仿沙丘肋式扰流结构的不同排布方案,对比发现:当仿沙丘肋式扰流结构与冲击靶点距离较近或较远时,均能通过提升局部换热表面上的对流换热效率,使过渡段的高温防护效果得到增强,对比仿沙丘肋式扰流结构高度的不同设计方案,结果表明:在一定条件下,增加仿沙丘肋式扰流结构的高度,有利于增强冲击冷却效率的效果。仿沙丘肋式扰流结构的高度取值为8.74 mm、距离为30 mm时,冷却效率最高,可以达到13.78%。通过对比仿新月形沙丘扰流结构不同高度参数设计,可以发现:在过渡段冷却腔内,仿新月形沙丘扰流结构能够实现对冷却介质的流向扰流和横向扰流,增加冷却腔内气涡形成的机制,实现换热表面上对流换热效率的增强。当仿新月形沙丘扰流结构的高度8 mm时,过渡段冷却腔内的冷却效率最高可以达到26.62%。最后,总结了全文的研究内容并对未来研究方向进行了展望。