气膜冷却是实现高效冷却的必要手段,在先进燃气涡轮发动机中得到了广泛的应用。气膜冷却技术的一个主要发展是异形孔概念的应用,它通过控制射流与主流的相干作用实现减弱主流和冷却射流的剪切混合以及冷却射流向主流的法向穿透,进而增强冷却射流的展向覆盖和流向延伸能力。本文以有效增强异形孔气膜冷却能力为目的,选取扇形孔和圆转缝形孔两种典型结构,采用多目标优化方法,以流量系数和冷却效率为目标函数,对扇形孔和圆转缝形孔进行了结构优化。主要研究内容和相关结论如下:首先,对平板扇形孔进行多目标优化,并对典型优化设计点进行大涡模拟研究。在吹风比（M）为0.5情况下,相比于参考气膜孔,所有优化设计点两个目标函数均得到了明显的提高。三种优化设计点,均具有较大的侧向扩展角和孔长,其主要区别在于孔倾斜角存在明显差异。对于Opt-A（对应最大冷却效率）具有相对较小的倾斜角。Opt-B（对应最大流量系数）和Opt-C（对应两者的折中）分别具有较大和适中的孔倾斜角。在M=1.5下,Opt-A具有较小的气膜孔倾斜角,较大的侧向扩展角和孔长。Opt-B具有较大的气膜孔倾斜角和孔长,较小的侧向扩展角。对于Opt-C,具有适中的孔倾斜角和孔长,较大的侧向扩展角。优化扇形孔大涡模拟结果表明:扇形孔中可以观察到马蹄涡、剪切层涡和发卡涡等相干结构。在M=0.5下,马蹄涡相对较弱。由于二次流和主流相互作用的开尔文-亥姆霍兹不稳定性,形成剪切层涡,加剧了二次流和主流的掺混,并向下游不断发展为发卡涡。随着吹风比的增加,观察到明显的马蹄涡结构。吹风比的增加,使扇形孔流向涡量增强,促进了发卡涡的分离。大量的发卡涡在扇形孔出口下游呈无序分布,称为“发卡涡森林”。其次,对平板圆转缝形孔进行多目标优化,并对典型优化设计点进行大涡模拟研究。在M=0.5的情况下,Opt-A从圆形入口到缝出口的过渡段仍然具有收敛的几何特征,同时具有小的倾斜角和气膜孔高度。根据其它优化选项,为了降低冷却射流的气动损失,需进行扩散形圆转缝的过渡。在M=1.5时,所有优化的圆转缝形孔形状都具有扩散形几何特征。相对于参考收敛缝形孔,它们能够同时增强冷却效率和流量系数。Opt-A具有稍微扩散的出口（s/d=0.44）,而其它优化选项则具有相对较大的扩散形出口。优化圆转缝形孔大涡模拟结果表明:对于圆转缝形孔,在孔的上游和下游,观察到了前缘涡对和后缘涡对。大量发卡涡在气膜孔出口下游呈无序分布,且这些发卡涡的尺度小于圆孔。第三,设计了四种不同过渡型面的收敛圆转缝形孔,研究了收敛圆转缝形孔内过渡型面对气膜冷却特性的影响,并与参考收敛圆转缝形孔进行了对比分析。不同过渡型面收敛圆转缝形孔对气膜孔出口下游冷却效率有显著影响。在M=0.5时,相比于参考气膜孔,内弧形和反S形收敛圆转缝形孔的冷却效率有所提高,而外弧形和S形收敛圆转缝形孔的冷却效率则急剧下降。在M=1.5时,仅内弧形收敛圆转缝形孔的冷却效率有了明显提升。不同过渡型面收敛圆转缝形孔对流量系数同样有显著的影响。两种吹风比下,与参考收敛圆转缝形孔相比,外弧形收敛圆转缝形孔和S形收敛圆转缝形孔具有更大的流量系数,即更小的射流喷注流动损失。内弧形和反S形收敛圆转缝形孔的流量系数较小,即射流喷注流动损失较大。最后,对实验工况下涡轮叶片圆转缝形孔和真实工况下涡轮叶片吸力面异形孔进行了多目标优化。针对实验工况下涡轮叶片圆转缝形孔多目标优化,所有的优化设计点均具有较大的缝长（接近或等于当前缝长范围的上限）。针对涡轮叶片吸力面圆转缝形孔多目标优化,冷却效率和流量系数的优化设计点是重合的,即具有最优冷却效率的设计点,同时具有最优的流量系数。相比于参考气膜孔,优化设计点具有较小的气膜孔倾斜角和较大的缝宽。针对涡轮叶片压力面圆转缝形孔多目标优化,与参考情况相比,所有优化设计点的冷却效率和流量系数都有了不同程度的提高。Opt-A具有较大的倾斜角和较小的缝宽;Opt-B具有较小的倾斜角和相对较大的缝宽;而Opt-C则具有较大的倾斜角和相对适中的缝宽。针对真实情况下涡轮叶片吸力面扇形孔多目标优化,所有的优化设计点具有较大的横向扩展角。Opt-A具有大倾斜角和中等前向扩展角,Opt-B具有小倾斜角和中等前向扩展角,而Opt-C具有小倾角和小前向扩展角。针对真实工况下涡轮叶片吸力面圆转缝形孔多目标优化,多目标优化结果跟实验工况下的优化结果具有高度的一致性。