燃气轮机被广泛应用于航空、航天、舰船以及发电等动力装置,直接关系到国家国防和国民经济建设。效率是燃气轮机装置最重要的指标之一,而提高涡轮前温度是提高热效率的重要途径,但提高涡轮前温度会极大提高涡轮叶片抗高温性能的要求。因此当前提燃气涡轮性能的主要关注点在于一方面需要逐步提高叶片材料本身的性能,另一方面可以通过气膜冷却、内部扰流装置等多种冷却结构组合对叶片进行冷却,能较大提高叶片耐受温度。根据大量文献调研和实际应用案例分析可知,除了高温造成叶片较大热负荷,由于进气杂物以及燃烧产生颗粒物在叶片表面的沉积也是造成涡轮叶片烧蚀的重要因素。颗粒物直接打到壁面会造成局部高温,此外颗粒物沉积还会造成气膜冷却孔堵塞使得局部气膜冷却失效。因此深入研究颗粒物沉积的预测方法以及沉积规律,探讨叶片冷却孔附近颗粒与冷气的相互影响关系,并再现沉积形貌研究其对局部流动换热的影响对于减少叶片烧蚀延长燃气涡轮寿命具有重要意义。本文首先对相关文献进行了综述与分析。鉴于颗粒沉积及预测的复杂性,通过数值方法来进行详细研究还比较困难,目前大多数是实验工作。部分数值工作提出一些简单的数学关系模型对实验结果进行分析或回归,以期望能获得定性的或者一定程度上定量的结果,但是真正通过数值模拟方法进行颗粒沉积预测研究非常少。本文基于FLUENT软件包中粒子的运动和计算模型,通过数值方法对冷却孔附近特定位置和大小颗粒的沉积进行了数值模拟,得到了定性的数值结果,并与实验进行了对比,可信度比较高。本文针对涡轮叶片表面研究了现有的颗粒沉积和反弹模型,这些模型考虑的参数包括材料属性、颗粒速度以及入射角度等参数,但是大部分模型具有一定缺陷,比如没有明确的实验验证,或者没有材料属性和颗粒运动参数,因此模型的获取、整理以及提炼具有相当大的难度。本文讨论了基于实验的一个模型,这个模型只有一个参数为颗粒入射角,这个模型给出了直接关系颗粒在壁面沉积或者反弹的恢复系数。如果恢复系数为1,颗粒在壁面上反弹,该反弹过程满足弹性反弹规律,如果恢复系数为0,则颗粒将粘附沉积在壁面上。本文在此基础上,进一步研究了另一个模型,该模型包含能够影响沉积和反弹预测的大量参数,但没有实验验证。经过系统研究和整合,本文提出了一种新的基于上述两个模型的新模型,该模型反映了多参数对沉积和反弹预测的影响,同时部分经过实验验证,具有一定可靠性。将模型用于GE E3叶片表面颗粒沉积的预测,叶片材料选用RENE41,叶片考虑气膜冷却,并利用自主开发的程序进行了冷却孔构建和网格的自动化生成,数值计算结果表明,颗粒的加入对于流动参数具有明显影响。在计算中针对不同颗粒入射角采用了一个特定的恢复系数CoRm比,通过对比分析发现加入颗粒之后,在叶片尾缘处流体温度和速度都有所增加。基于不同的恢复系数比进行流场及颗粒沉积数值模拟,结果表明恢复系数对流场结果的影响不大。通过结果详细分析了颗粒的运动轨迹,并提出模型的简化必要性。基于前文数值模拟获得的颗粒沉积率分布进行了沉积形貌的构建。根据所得颗粒沉积率的分布数据,通过等比例关系,并以冷却孔径为基础设计了壁面沉积的几何结构。通过对数值模拟结果进行分析,对比了流体流动现象,以及壁面冷却效果,结果表明,颗粒沉积表面的冷却效率比不沉积表面的冷却效率高,也就是说除了在热传递方面的负面影响,颗粒沉积反而可能更有利于冷却气的组织从而获得更高的气膜冷却效果。从流动上来看,主流气体在冷却孔前因为沉积几何体而向上移动,从而将冷却气流压到设计表面。