随着工业技术的不断革新,能源已成为推动社会发展和经济发展的基本源动力。但当今社会仍面临着因能源利用率低所造成的巨大的环境问题,如何提高机械系统效能利用率已成为当今世界性难题。燃气轮机被命名为机械技术皇冠上的明珠,以其高效、清洁广泛应用于航空航天、电力能源、军事国防等领域。多年的发展使得我国在燃气轮机制造领域有着长足的进步,但距离国际先进水平相比仍存在很大差距。具体体现在没有掌握核心技术,热端部件设计、制造、维修及控制等关键问题仍需攻关。核心技术自主研发和国产化已成为保证经济发展和国防建设所亟待解决的重大问题,国家先后在2015年出台的《中国制造2025》中指出“要组织实施包括航空发动机及燃气轮机等在内的一批创新和产业化专项、重大工程”;在2017年国家发改委和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》等多项国家政策措施内容均提及大力发展具有自主知识产权的国家战略型装备技术,是实现制造强国战略目标的重要手段。本文结合国家自然科学基金项目《仿生非光滑表面结构冲击冷却关键技术研究》对燃气轮机高温部件简化模型表面结构进行了设计,同时探讨了仿生结构在高温壁面冲击冷却中的应用,并分析了仿生结构对壁面冲击冷却特性的影响。主要工作包括:第一,本文从燃气轮机高温部件冲击冷却特性出发,研究了流体力学数值模拟方法,对控制方程、离散化方法进行了研究。通过分析冷空气和喷雾复合冲击冷却方法及机理,选用兼顾运算效率和运算时间的Realizable k-ε模型作为冲击冷却流场分析的湍流模型,并确定了本文分析中所需的近壁面函数及评价函数。第二,作为一种有效的冷却方式,扰流柱结构在高温部件壁面模型中,起到了扰流强化换热的作用。本文分别在空气和喷雾冲击冷却条件下,对扰流柱结构高温壁面模型的流动特性及换热特性进行了数值模拟。通过结构对比表明,具有扰流柱结构的高温部件壁面较光滑壁面具有更好的冲击冷却效果;喷雾式复合冷却方式壁面换热最优。因此,在高温部件壁面排布扰流柱结构将有利于提高高温壁面冲击冷却效果。第三,向自然学习,基于仿生学思想,模拟沙丘成型机理,探讨了仿生结构设计在高温壁面上应用的可行性,通过分析表明仿沙纹肋式结构具有较好的换热效果。随后,通过对比仿沙纹肋式结构冲击孔的排布距离,发现仿沙纹肋式结构布置位置越靠近冲击孔,受对称涡流影响的越小,冷却效果越好。而后,分析了不同仿沙纹肋式结构对冲击冷却的影响,发现仿沙纹肋高度越高,沿着高温壁面流动的冷却介质能量消耗越大,冷却效果越差。第四,在前文的仿生研究基础上,通过分析蝴蝶翅膀“塔型”微结构特点,建立了仿蝴蝶肋式结构模型。首先,通过仿沙纹肋式结构模型的冲击冷却分析,确定了仿蝴蝶肋式结构排布位置。然后,分别对四种不同形状的结构进行了流场和温度场对比分析,发现尖角脊蝶肋结构模型对冷却腔和高温壁面的换热效果要强于圆角脊蝶肋结构模型。而后,通过分析仿蝴蝶式结构高度参数对其高温壁面冲击冷却影响,发现改变肋式结构的高度,将影响冲击孔到冷却腔封闭面区域内冷却介质的流动,进而影响高温壁面的冷却效果。最后,对全文进行了系统的总结并对未来的工作进行了展望。