多孔层板结构是目前使用在涡轮叶片中冷却效果较好的前沿技术,但仍存在流动阻力大、冷却效果需进一步提高等问题。本文基于现有技术的不足,结合仿生学原理,从自然界的蜂巢结构中获取灵感,提出新型蜂巢式冷却的概念,并利用自主提出的设计方法设计了一系列蜂巢式冷却结构,期望通过该类结构提高叶片的综合性能。以进出气孔平行式蜂巢冷却结构为代表,通过数值模拟研究该结构及对应典型层板结构的流动特性。在近似发动机实际工况和常温常压工况下,对特征化的平板形式的蜂巢式冷却结构和典型层板结构进行流动特性的数值计算,模拟不同压比时气流在结构内的流动状况。着重分析了在近似实际工况中质量流量相同时,两类结构的流动特点和蜂巢式冷却结构的减阻机理。研究结果表明:减小气流转折角度和通道截面变化程度以及避免气流间的相互撞击掺混,可有效降低结构流动损失;在研究的工况范围内,蜂巢式冷却结构相对典型层板结构可减少60%以上的流动损失;前者的损失主要来源于内腔的多次转折,约占总损失的一半。此外,还根据蜂巢式结构的流阻特性对结构进行了优化,通过减少腔内转折次数进一步降低了结构流动损失。针对进出气孔平行式蜂巢冷却结构和典型层板结构展开了流阻特性实验和对应实验的模拟计算,研究总压损失随雷诺数的变化。研究结果表明:实验中蜂巢式冷却结构的流动阻力相对典型层板下降了10～14%,且实验结果与计算结果吻合较好。通过对比分析具有不同进气角度的计算结果发现,进气角度对蜂巢式冷却结构的流动损失影响很大,减小进气角度有利于降低结构流动损失。对两类结构的传热特性也进行了数值模拟研究,在相同质量流量下,对比两类结构外壁面温度分布情况,并分析原因。研究结果表明:蜂巢式冷却结构内壁面换热面积更大,相比典型层板结构有10%的优势,但总换热量比后者低约4%。主要原因为蜂巢式冷却结构大幅度减小板内涡流,在减小流动损失的同时削弱了壁面冲击冷却,特别是蜂巢式结构中的扰流柱结构,壁面换热系数最低,未能充分发挥作用,是后续改进的重点。最后,利用性能系数Nu/Cp对两类结构的综合性能进行比较,结果表明蜂巢式冷却结构的综合性能明显优于典型层板结构,且雷诺数越大优势越显著,说明蜂巢式冷却结构在提高叶片综合性能方面有着巨大潜力,值得继续深入研究。