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1. 研究目的与意义（文献综述）
燃气轮机凭借其高效、清洁、功率密度大的特点，被广泛用于航空推进、舰船动力、工业驱动以及地面发电等领域，在国防安全和国民经济很多方面起着难以替代的作用。在航空推进领域，涡轮风扇发动机的高推重比是目前所有其他形式动力机械所无法达到的，当代先进航空器均采用燃气涡轮作为其动力装置。燃气轮机由压气机、燃烧室、透平三大核心部件，以及控制、燃料、润滑等辅助系统组成[1]。它的工作原理基于布雷顿循环，即：从发动机前进入的空气经过压气机压缩，进入燃烧室和航空燃油混合燃烧，产生的高温燃气推动透平叶片做工，最后排出乏气[2]。从燃气轮机的布雷顿循环分析可以知道燃机的热效率和出功正相关于透平进口温度（tit）。在tit迅速提高、而耐高温透平叶片材料发展缓慢的情况下，先进燃气轮机的tit已经远远超过透平叶片材料的使用温度[2][3]。现代燃气轮机基本在进口温度超过1600℃的条件下运行[4]。过高的燃气温度使燃汽轮机叶片工作环境恶化，导致叶片寿命缩短，稳定性变差[5]。如何在追求更高热效率的同时保持叶片的合理使用寿命?这不仅对从事材料研究者提出更高的要求, 也是对冷却技术的研发提出了新的挑战。目前, 应用于叶片的冷却技术主要包括:内部强化对流、外部气膜和热障涂层 (thermal barrier coating, tbc)。前两种冷却技术经过半个多世纪的发展,今天已广泛用于透平叶片的设计。在叶片冷却结构设计日趋复杂、冷却效果逐渐达到瓶颈的情况下, tbc技术给叶片热防护带来了新的可能[6]。tbc技术往往不是单独使用于冷却结构中，而是配合气膜冷却一起发挥冷却作用，再加上透平流动环境的复杂，所以为了进一步优化和设计冷却结构、提升冷却效果，预测和增加叶片的使用寿命，探究tbc的运用对综合冷却特性的影响以及影响tbc冷却特性的因素和机理就显得尤为重要。国内外先后开展了相关研究并得出了许多对冷却结构设计具有实际指导意义的结论。
国外研究状况：jonathan maikell等[7]用两种叶片实验模型(一个沿停滞线有单排孔，另一个为跨停滞线有三排孔，并且均用0.0度至±5.0度的迎角范围进行了测试)在闭环风洞中模拟研究了tbc对整体冷却效果影响，发现tbc不仅可以提高冷却效果，同时还能降低外表面对迎角的敏感度，其中带三排且具有tbc的模型在迎角-5°到 5°的范围内冷却效果基本没有变化。这是第一个通过实验模拟tbc及其对整体有效性影响的研究.david a. kistenmacher等[8]利用闭环风洞装置研究在tbc中嵌入了实际的气膜冷却沟槽几何形状的导热涡轮叶片的冷却性能，同时利用熔融蜡喷雾器来模拟燃气轮机中煤飞灰的沉积，进一步探究污染物沉积对不同模型冷却效果的影响。通过实验对比分析圆孔、理想沟槽、实际沟槽三种模型，得出嵌入tbc的实际沟槽在所有薄膜冷却剂流速上具有与理想沟槽相似的总体冷却效率，但非常低的薄膜冷却剂流速除外。而且，两种沟槽设计的总体冷却性能对薄膜冷却剂流的变化均不敏感。对于m =1.0和2.0两种情况，两个沟槽的整体效率都比圆孔略高。同时模拟的沉积实验表明两个沟槽设计比圆孔冷却配置显着更好地减轻了沉积。实际的沟槽实际上比沿叶片压力侧的冷却剂孔下游的理想沟槽在某种程度上减轻了沉积。而两个沟槽下游的整体冷却效率几乎不受沉积影响。amy mensch[9]等研究比较了端壁的共轭实验和模拟以及tbc对端壁的影响，提出共轭端壁模型的设计方法，并分析造成实验和模拟差异的原因和影响，填补了文献中的两个空白。并发现tbc的加入可以有效改善端壁冷却效果，不仅保护端壁不受热的主流影响，减少热传递，更加强了内部冷却效果。同时没有tbc的模型预测总体有效性与测量结果相似度很高。仅在预测吹风比为1.0时的气膜冷却射流附着和预测吹风比为2.0时的射流扩散观察到主要差异。tbc有效性的预测结果与测量值相当接近，并且可通过模拟可以得到大致的结果，即结合适当的网格预测模型可以对端壁上的共轭传热给出合理的预测。
william r. stewart等[10]通过实验模拟分析比较圆孔、沟槽、喷淋气膜冷却三种模型研究tbc厚度对内部和气膜冷却模型涡轮机叶片的影响，研究得出即使tbc的存在能使冷却剂孔附近的冷却效果显著提升，但较薄的tbc(如t/d=0.6)导致冷却剂孔下游的冷却效果对气膜冷却的敏感性大大降低(即即使加入气膜冷却并提高吹风比，冷却效果提升也不明显)，同时对于较薄的tbc，沟槽结构实际上比没有气膜冷却更有害。较细的沟槽深度不会填充冷却液，并允许热主流气体进入沟槽，从而在叶片表面上形成“热点”。不仅沟槽内的区域变暖，而且沟槽下游的外部温度也变高，这是因为在较高的吹气比下，来自分离喷嘴的传热系数增加。parthiban等[11]通过数值模拟研究了热障涂层高温合金基体上冷却孔的绝热却效果。比较了倾斜圆柱孔、发散孔、汇聚发散孔和弯曲孔模型的冷却效果。发现弯曲孔在实验中所有的吹风比下都显示出更高的效率。同时对于简单倾斜圆柱孔，在孔倾斜角为35°时冷却效果最好。singh等[12]建立平板模型数值模拟研究了tbc和气体辐射对波纹表面冷却的影响，发现tbc可以使气膜冷却效率提升0.15~0.12，同时在考虑气体辐射的前提下，冷却液在热表面的扩散不会增加，但会增加整体的热负荷，从而导致表面温度升高，但tbc的加入对气体辐射具有屏蔽作用。
2. 研究的基本内容与方案
2.1研究内容通过对具有表面覆盖TBC的平板气膜冷却体系的实体建模，研究三种主流压力梯度（即零压、正压与逆压）对平板表面TBC和气膜冷却耦合传热的影响。2.2研究目标通过FLUENT进行数值模拟研究，学习及深化相关理论知识和学会相关软件的使用，并对数值模拟结果进行分析讨论，探究主流压力梯度的影响效果并分析影响机理，得出相关结论。2.3技术方案及措施（1）搜集并研究平板气膜冷却模拟相关文献，完成对气膜孔、TBC和主流压力梯度板等基本参数的设计。（2）学习SolidWorks软件，完成平板模型的三维实体建模。
（3）学习 Ansys ICEM并对三维实体模型进行网格划分。（4）学习FLUENT软件，完成耦合冷却体系的边界条件确定并进行数值模拟,分析主流压力梯度对TBC隔热特性以及TBC-气膜出流耦合传热的分析。
3. 研究计划与安排
| 第1周—第2周 | 查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需技术方案及措施。确定方案，完成英文翻译、文献阅读报告及开题报告。 |
| 第3周—第4周 | 学习SolidWorks软件，搜集相关参数，完成对平板的三维实体建模。 |
| 第5周—第6周 | 学习计算流体力学相关基础知识及软件的使用方法并完成网格的划分。 |
| 第7周—第8周 | 完成对耦合冷却体系边界条件的分析，运用流体计算软件分析零压梯度下气膜冷却与TBC耦合体系的综合冷却效果。 |
| 第9周—第11周 | 运用流体计算软件分析压力梯度变化对TBC/气膜冷却耦合传热特性的影响。 |
| 第12周—答辩前 | 撰写并修改毕业论文，准备论文答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
[1]秦晏旻.透平叶栅环境下气膜冷却流动传热机理研究[d].北京:清华大学,2015.
[2]胡冰城,王建华,徐邵华,等.具有热障涂层导向叶片耦合数值研究[j].航空动力学报,2017,10:2394-2402.
[3]沈菁菁.燃气轮机叶片气膜冷却数值模拟[d].上海:上海发电设备成套设计研究院,2014.
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