仿生非光滑表面结构冲击冷却关键技术研究

Transition Piece(TP) is a main connection between gas turbine combustor and turbine. As the inevitable continuous increasing temperature of combustion gas, the problem of thermal protection of transition piece component (TP) needs to be solved urgently. Currently, there were not any ideal solutions to make the working pair of thermal fatigue damage. However, the bionic non-smooth surface theory seems to open a new direction in cooling technology. In this project, we propose to use bionic approach to establish a non-smooth surface of simplified TP model, according to the TP characteristic and impingement cooling form. It uses the hemispherical convex point and the fin stucture of conch shell for reference, through a series of theoretical calculation and numberical simulation to study on geometric, hydrodynamic and thermal analyses. Revealing spoiler and heat transfer mechanism and rules of non-smooth structure, while exploring the morphology of non-smooth inner wall of the simplified model surface impacting on impingement cooling. So that we could establish the fundamental theory about non-smooth surface on the gas flow characteristics and the impact of the impingement cooling characteristics. Combined computer simulation and experimental results which will be analyzed to optimize the parameters of the bionic structure. This research based on bionic non-smooth surface theory may solve the key scientific problems in the applications of simplified TP model, to achieve the thermal protecion of components through high-temperature, leading a new direction of bionic theory in the field of impingement cooling applications.

过渡段是连接燃气轮机燃烧室和透平的主要方式，随燃气透平入口温度的不断提升，过渡段这类高温部件的热防护是亟待解决的关键问题之一。目前过渡段冲击冷却技术研究尚未理想地解决其热疲劳损伤问题，而仿生非光滑表面理论为冷却技术开辟了新的方向。本研究拟针对过渡段结构功能特点和冲击冷却形式，借鉴自然界中非光生物体表面和海螺壳等半球形凸点和肋式结构，建立仿生非光滑过渡段简化模型，并通过理论推导和计算机模拟等手段开展几何学、流体力学和传热学分析，揭示非光滑结构的扰流和换热机理与规律，同时探索简化模型非光滑内壁面形貌对其冲击冷却的影响，从而确立非光滑表面对气体流动特性和冲击冷却特性的基础研究理论，并结合计算仿真与实验进行对照分析，优化仿生结构参数。在保证和提高当前简化模型冷却前提下，解决仿生非光滑理论在过渡段简化模型表面应用的关键科学问题，实现对高温部件热防护功效，探索仿生理论在冲击冷却领域应用的新方向。

过渡段是连接燃气轮机燃烧室和透平的主要方式，随燃气透平入口温度的不断提升，过渡段这类高温部件的热防护是亟待解决的关键问题之一。（1）通过借鉴自然界中非光滑生物体表面、沙丘等半球形凸点和肋式结构，建立仿生非光滑过渡段简化模型，利用理论推导和数值模拟的方法对该仿生模型进行流体力学和传热学分析，揭示了非光滑结构的扰流和换热机理与规律；（2）讨论了仿生非光滑结构参数对其整体结构冲击冷却特性的影响，从而确立非光滑表面对气体流动特性和冲击冷却特性的基础研究理论；（3）利用指针和堆栈的概念，提出并设计了连续变量与离散变量相结合的混合粒子群优化算法，加之设计的“阈值”自适应优化获取的技术，提高了粒子群优化算法工程应用的能力；（4）本项目利用多目标粒子群改进算法对非光滑壁面结构参数进行优化，利用数值模拟和实验分析方式，验证了仿生非光滑壁面冲击冷却性能的提升。本项目在保证和提高当前简化模型冷却前提下，解决仿生非光滑理论在过渡段简化模型表面应用的关键科学问题，实现对高温部件热防护功效，为减少实验成本、缩短研制周期，提供结构设计的参考依据。. 依托本项目资助，项目负责人先后获得2015年度吉林省自然科学学术成果奖二等奖（排名第一）、2018年度吉林省科学技术奖二等奖（排名第五）；共发表学术论文8篇（均已标注），其中包括SCI收录3篇，EI收录5篇；申请国家发明专利2件；培养研究生8人，其中培养毕业博士生2人，硕士生3人；参加国际会议6人次。项目负责人先后获得2015年度吉林省自然科学学术成果奖二等奖（排名第一）、2018年度吉林省科学技术奖二等奖（排名第五）；参加国际会议6人次，全面完成了项目的预期研究工作。