1、航空工業(yè)的發(fā)展趨勢要求發(fā)動機具備更高的渦輪入口溫度，提高渦輪入口溫度對葉片的熱防護提出了更高的要求，因此需要設計復雜的冷卻結構來降低葉片的溫度，而冷卻結構的改型設計需要準確地預測葉片的溫度，同時葉片的強度校核也需要計算高溫及冷卻不均形成的熱應力，單純的氣動計算已經(jīng)無法滿足高性能設計的要求，因此全三維的氣熱彈多場耦合計算方法成為現(xiàn)代高性能發(fā)動機設計的必備工具。本文的工作主要是開發(fā)了全三維的基于非結構化網(wǎng)格的氣熱彈耦合計算程序，對其進行了實

2、驗、解析解驗證，并將其應用在氣冷渦輪的傳熱和強度分析中，并且對高精度的離散方法及多場耦合方法進行了研究。
　　首先推導了三維N-S方程的有限體積離散格式，介紹了MUSUL方法，及其線性重構求解梯度所采用的最小二乘法，為了保持穩(wěn)定性采用了Venkatakrishnan限制器。給出了預處理方法的具體過程，及求解對流項的預處理AUSM+格式，詳細推導了基于預處理方法的LU-SGS隱式時間推進方法。通過方腔流、無粘Bump流動及平板流動驗

3、證了三維程序計算的準確性及預處理方法的有效性，采用T3A、T3A-和S&K三個算例對轉捩模型進行了驗證。針對二維非結構化網(wǎng)格上高精度WENO格式線性權的負值問題，提出了一種求最優(yōu)線性權的方法，建立了求解的具體數(shù)學模型，通過前臺階繞流和雙馬赫反射問題驗證了程序在處理間斷問題時的敏感性和穩(wěn)定性。
　　然后研究了固體場的求解方法，采用有限體積法求解了導熱方程，采用全隱式的求解方法，具有較高的計算效率。采用加權最小二乘法構造了高精度的梯度

4、計算方法，通過與解析解的對比驗證了該方法有效地提高了導熱計算的精度。采用高精度的有限元方法求解了熱彈耦合問題，介紹了有限元離散方程建立的具體過程及求解方法。通過有限長圓筒的解析解對程序的精度進行了驗證，結果表明，本文的有限元程序整體精度很高，在給定精確溫度解的條件下，計算的位移和解析解吻合很好，誤差在1％的范圍。計算的軸向、周向和徑向應力與解析解基本吻合。并以某燃氣輪機渦輪葉片為例，將程序計算的溫度、熱變形和熱應力與商業(yè)軟件ACE的計算

5、結果進行對比，驗證了程序的精度及對復雜模型的適用性。
　　最后將多物理場的求解方法按照不同的耦合方式耦合開發(fā)了氣熱彈耦合計算程序，氣熱部分采用雙向耦合，熱彈采用單向耦合。將面積加權類的插值方法應用在交界面的數(shù)據(jù)傳遞上，通過與精確解的對比驗證了插值程序的精度。對C3X的4521工況進行了氣熱耦合計算，并與其傳熱實驗進行對比，驗證了氣熱耦合計算的精度，計算得溫度和換熱系數(shù)與實驗值吻合較好。通過 MARKIⅡ的4311和5411號實驗工

6、況，研究了轉捩對傳熱計算的影響，可以看出，采用轉捩模型后能夠提高層流區(qū)和轉捩區(qū)傳熱計算的精度。轉捩模型對壓力的影響很小，對于存在激波和邊界層干擾的區(qū)域，傳熱計算仍存在較大誤差。在已有程序HIT-3D的基礎上驗證了氣熱耦合及湍流模型對溫度計算的影響，結果表明，耦合壁面的溫度要比絕熱壁面的溫度低大約30%，BL模型計算的轉捩區(qū)溫度與實驗值相差10%，q-ω模型、BL加AGS轉捩模型、SST-Gama模型計算的溫度與實驗結果的差值在5%以內(nèi)，

7、計算的精度相對較高。應用熱彈計算程序對MARKⅡ葉片和某低壓渦輪導葉傳熱分析的結果進行了熱彈分析，證明了采用轉捩模型有助于更加準確地驗證渦輪葉片的安全可靠性。最后應用氣熱彈耦合平臺對某低壓渦輪導葉進行了氣熱彈多場耦合計算，研究了其轉捩流動特性以及傳熱特性，分析了局部高溫區(qū)的分部及最大應力集中位置，為冷卻結構的改型提供了依據(jù)，同商業(yè)軟件對比驗證了程序計算的準確性，雖然存在由過約束導致的應力超?，F(xiàn)象，但是可以利用應力的分布趨勢來輔助進行葉片