涡轮叶片是发动机中温度最高、载荷变化最剧烈、应力最复杂的部件,所以其是影响航空发动机整体性能和寿命的关键部件。然而,目前传统涡轮叶栅设计依然是从一维经验公式设计制造样件开始的,通常历经根据一维经验公式设计制造、试验发现问题、修改设计再制造样件、再试验发现问题的若干循环过程。其中,一维经验设计参数大多来自于简化实验条件下得出的公式。例如:目前使用的叶片内冷肋化通道换热经验公式,大多是用简化矩形、三角形或梯形通道、在等温或等热流假设条件下,通过实验得出的换热公式。显然,这种远离真实内冷涡轮叶片内通道形状和外部热流分布的低设计起点严重拖累了新型发动机的研发精度和速度。为了适应我军快速提高的航空发动机性能需求,提高我国新一代航空发动机涡轮叶栅气冷结构设计速度和精度,从基于一维简化模型经验公式的设计走向更接近真实几何形状及运行工况的准三维模块化设计,本课题组拟定了涡轮叶栅四个模块（前缘、叶身、尾缘及端壁）的冷却结构模块化设计的研究目标:期望通过四个冷却模块试验研究,凝练工程设计中暴露的科学问题,用实验数据验证数学模型和数值策略,在工程应用部门提供的叶栅真实运行环境下,对模块设计改进及优化,为新型号涡轮叶片结构研发提供参考。本论文主要涉及到两个冷却模块,即:叶身内冷和叶栅端壁冷却结构。虽然,叶片内冷和叶栅端壁冷却不是新的研究课题,但是,在各种实验和数值研究过程中,仍然存在很多尚待解决的问题。例如:以往的肋化通道设计参数大多来自简化几何模型和给定一个壁面温度或热流实验条件,而将真实叶栅几何模型放在真实涡轮运行工况下的冷却效果研究还很欠缺。再如:以往的强化冷却技术研究大多关注冷却效率和阻力特性,但是在设置肋片提高冷却效果的同时,减少通道阻力损失和减少冷气量消耗及温度梯度最小化的多目标设计仍然需要重点关注。本文采用实验和数值模拟的方法对涡轮叶片肋化内冷通道的传热和流动特性进行研究,核心目的是分析几何模型简化和边界条件简化对结果的影响;最后,采用多目标优化算法对冷却结构中的重要的几何参数进行优化设计,从而获得较为优异的冷却结构设计方案。本文的主要工作和结论具体如下:（1）研究了渐缩/扩通道截面形状对通道内流动和传热的影响。本文利用红外热成像技术测量了渐缩通道的肋化壁面上的传热系数,并将其作为数据源对多种数值湍流模型计算结果进行验证。采用经过验证的湍流模型对比分析渐缩/扩/定截面通道的流动换热特性。数值结果发现,在低Re数工况下,渐缩的通道截面几何形状会显著影响通道内二次流分布,最终导致渐缩通道的传热分布与另外两种通道差异明显。（2）分析了真实叶片内通道几何形状和边界条件对换热性能的影响。分析指出:在真实的叶片流-固耦合壁面边界条件下得到的肋化壁面上传热系数分布与简化定温/定热通量边界条件下的差异明显;真实肋化通道和简化方形通道的壁面传热系数分布的差异亦非常明显;而且叶片旋转会显著提高真实肋化通道的入口段和弯头区连接处的尾缘壁面传热系数,随着旋转数的增加,上述区域传热系数增加幅度可以超过100%。（3）利用多目标优化算法对半接触肋化通道的传热和流动特性进行优化,结果表明:优化后的模型传热系数提升9%,摩擦因子减少了 7%。分析发现,优化模型是通过牺牲右侧壁面小部分传热系数,而大幅度提高通道壁面中部区域的传热系数,最终提升通道模型的换热能力。（4）利用多目标优化算法对叶栅端壁气膜冷却孔的排布进行优化,结果表明:相较于原始气膜孔排布,优化后模型的端壁面积平均综合气膜冷却效率提高约8.7%-9.5%,通道总压损失减少约4.8%-6.1%。同时发现,压力侧附近气膜孔的间距对端壁综合气膜冷却效率影响很大,而前缘处气膜孔的角度对叶栅通道总压损失影响较大。（5）创新的完成了两种优化平台（Ansys Workbench和Isight）的搭建和运行,并实现了上述两种优化平台在涡轮冷却结构设计中的应用。