当燃气涡轮发动机在含砂尘或污染严重的大气环境中工作时,外部微细颗粒的侵入不仅极易在进气流道粒子分离器中形成磨蚀现象,降低粒子分离器分离效率,而且很小粒径的粒子难以被分离而进入发动机流道,在涡轮叶片冷却结构中形成沉积堵塞,由此引发涡轮叶片冷却特性的变化,对涡轮叶片冷却结构的可靠性将构成严重的影响。本文以此为研究背景,构建燃气涡轮发动机中的气固两相流动以及粒子磨蚀和沉积模型,通过数值计算方法对进气道粒子分离器中粒子的磨蚀特性以及涡轮叶片上的粒子沉积特性进行了数值研究,同时对涡轮叶片气膜孔堵塞对冷却性能的影响进行了实验和数值研究。本文研究内容主要包括五个部分:(1)粒子分离器流道壁面的颗粒磨蚀特性以进气道惯性粒子分离器为研究对象,开展了二维数值模拟研究。采用不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程和Eulerian-Lagrangian方法求解气-固两相流动,采用经验的粒子磨蚀模型并自编用户自定义程序模块集成于FLUENT计算软件,预测壁面的粒子磨蚀速率。在该磨蚀模型中,考虑了粒子对壁面的切向磨削和法向撞击变形机制。研究表明,在惯性粒子分离器中,粒子对壁面的切向磨削是主导机制。最严重的壁面磨蚀区域出现在内侧壁驼峰的上游侧以及对应于内壁驼峰的外侧壁面处。随着进气速度的增加,壁面磨蚀更为严重;与零攻角进气相比,正的进气攻角使得内壁驼峰上游侧的磨蚀区变宽、外侧壁面的磨蚀速率增大,而负的进气攻角则使得内侧壁和外侧壁面的磨蚀速率均增大。(2)涡轮叶片表面的粒子沉积特性以涡轮导向器为研究对象,开展了二维数值模拟研究,获得了稀相粒子在二维叶栅通道内的运动轨迹以及沉积规律,重点研究了粒子粒径和进气角对叶片表面粒子沉积特性的影响。基于EI-Batsh沉积模型,编制了相应的粒子沉积计算模块集成在FLUENT软件中,预测壁面的粒子沉积率,并利用相关实验数据对本文计算方法进行了验证。研究结果表明,d<1μm粒子主要沉积于压力面中部和尾缘,前缘沉积较少;随着粒径逐渐增大,压力面前缘的沉积逐渐增多,d=3μm与d=5μm粒子沉积主要分布在压力面前缘和尾缘。气流进气角度对粒子沉积分布具有重要影响。(3)涡轮叶片典型冷却结构中的粒子沉积特性针对涡轮叶片冷却结构的特点,提取出气膜孔壁、有无气膜出流的肋壁通道以及冲击-气膜双层壁等若干模型进行数值模拟研究。对于气膜孔壁,重点研究了粒子粒径和气膜射流吹风比对于粒子沉积特性的影响规律,研究表明,对于圆形气膜孔,粒子的主要沉积区位于气膜孔出口上游以及相邻气膜孔之间,这是由于气膜出流卵形涡的卷吸作用所致,相对常规的圆形气膜孔,收敛缝形气膜孔壁的粒子沉积有所减弱;对于肋壁通道,分析了不同粒径粒子在肋壁表面和肋表面上的碰撞角度与碰撞法向速度分布,以及不同粒径粒子在通道内的沉积特征,研究结果表明,肋壁表面上易形成沉积的区域为首排肋上游区域,肋的迎风面为肋表面最易发生沉积的区域,同时也分析了气膜孔与肋的相对位置关系对气膜孔附近以及气膜孔内部的粒子运动以及沉积特性影响规律;对于冲击-气膜双层壁,重点研究了粒子粒径、气膜孔与冲击孔的相对位置对粒子运动与粒子沉积特性影响规律,研究表明,在冲击-气膜双层壁冷却结构中,冲击壁的存在可以有效减弱气膜孔内的粒子沉积。(4)涡轮叶片气膜孔局部堵塞效应以特定叶型的涡轮叶片为研究对象,针对简化的堵塞物结构,通过实验研究了典型的气膜孔内局部堵塞在涡轮叶片压力面和吸力面上对气膜冷却效率的影响机制,着重研究了堵塞位置、堵塞比和吹风比对叶片表面的气膜冷却效率的影响规律,同时利用数值模拟方法揭示了气膜孔内局部堵塞的影响机制。研究表明,气膜孔内局部堵塞改变了气膜孔内的冷却气流流动,影响冷却射流与主流之间的相互作用,其影响规律与堵塞位置、堵塞比和吹风比密切关联。一般地,气膜孔前缘-进口堵塞对气膜冷却效率的影响最小,气膜孔前缘-出口堵塞在堵塞比小于0.5时有可能增强气膜冷却效率,其它位置处的堵塞则恶化了气膜冷却效率,尤其是在侧边-出口处的局部堵塞,气膜孔内局部堵塞的影响在大吹风比下更为显著。(5)典型工作参数下的涡轮叶片粒子沉积和局部堵塞效应运用数值模拟方法研究了气膜孔局部堵塞对叶片前缘和压力面上射流冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响,研究结果表明,无论是气膜孔内无堵塞还是存在局部堵塞情形,随着吹风比增大,综合冷却效率均呈现逐渐增大的趋势;在低的吹风比下,气膜孔出口-尾缘局部堵塞的综合冷却效率略低于无堵塞气膜孔,而在气膜孔进口-前缘和气膜孔出口-前缘的局部堵塞则导致综合冷却效率有较为显著的下降;在高吹风比下,位于气膜孔出口-前缘的局部堵塞能够抑制气膜射流与主流相互作用所形成的卵形涡,从而可以起到微弱地提升综合冷却效率的作用,气膜孔出口-尾缘以及气膜孔进口-前缘的局部堵塞则导致综合冷却效率有所降低;堵塞比对壁面沿程综合冷却效率的影响呈现非单调的变化趋势,这是由于冲击-扰流柱-气膜整体式冷却结构的冷却效果取决于内部强化传热和外部气膜防护的多重作用机制。