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提高涡轮进口燃气温度是提高航空发动机循环效率和推重比的重要措施,而涡轮叶片高效内部冷却技术是这一措施得以实施的先决条件之一。内部冷却结构在有效降低叶片温度的同时也削弱了叶片的强度和刚度;因此,如何通过合理的设计,平衡叶片的热学和力学性能是亟待解决的问题。本文以NASA C3X涡轮导向叶片为研究对象,通过数值模拟探究了扰流柱对内冷通道流动和传热特性的影响,以改善散热性能;在验证数值模型的基础上,对二维Bezier样条曲线冷却通道以及三维C3X圆形冷却通道的位置与大小开展优化设计,以同步改善叶片内的温度和热应力分布。本文得出的主要结论如下:首先,深入探究了不同雷诺数下顺排扰流柱节距与上游扰流柱形状对内冷通道中流动的影响。数值结果表明,扰流柱下游的漩涡脱落特性随着相对节距(L/D)的增大而发生三个阶段的变化:当L/D<1.6时,涡脱落形式与单圆柱相同;当1.6<L/D<3.6时,上游柱体后不发生明显的涡脱落现象;当L/D>3.6时,所有柱体后均发生明显的涡脱落现象。此外,椭圆形扰流柱通道的压降最小,而正方形扰流柱通道的压降最大,压降随着雷诺数的增加而增大。其次,分析了球凸高度对椭圆形扰流柱通道对流传热特性的影响。数值结果表明,在给定雷诺数条件下,引入球凸虽然可以改善通道的散热性能,但也显著增大了压降;通过对不同高度球凸通道的数值研究发现,当球凸高度与其直径之比为0.4时通道的综合换热性能最好,且明显优于仅有椭圆形扰流柱的通道。最后,分析了C3X叶片的耦合传热特性。通过将数值模拟所得叶片中截面型线上的温度和压力分布与NASA实验数据对比,发现SST k-ω湍流模型的计算精度最高,继而借此系统探究了叶片内部和外部的流动传热特性。随后,以叶片平均温度和最高温度为目标函数,分别对二维和三维叶片结构进行优化设计。优化结果表明,Bezier曲线冷却孔能够显著降低叶片尾缘及主体部分高温区的面积,但同时使叶片热应力增大;相比之下,圆形冷却孔有助于减小热应力,但受其形状限制,不能充分冷却叶片高温部分;所有优化后获得的冷却构型均能有效降低叶片温度,并将叶片应力控制在材料的许用应力范围之内。