气膜冷却是应用于燃汽轮机涡轮叶片上的一种重要冷却技术,行业内对此技术的研究一直致力于提升气膜冷却性能。主要的提升方式有发展高效孔型和发展扰流结构两种。其中,在简单圆柱孔外部设置扰流结构的方式在兼顾冷却性能的同时能够相对降低加工的难度和成本。近年来,研究人员提出了一种新型的月牙形挡块结构,并对其进行了初步的实验研究。但关于该挡块的流动机理,冷却性能以及是否能够通过优化进一步提升冷却效率等方面还有待探索。本文针对上述有关月牙形挡块的问题,采用数值仿真的方式研究了月牙形挡块提升冷却效果的流动机理,并采用大涡模拟分析了其流场内的涡结构。针对月牙形挡块的几何参数,以最大面积平均冷却效率为优化目标,采用神经网络结合遗传算法在吹风比为0.5和1.5时分别对上游及下游月牙形挡块进行了优化设计,并进一步探究了优化后的挡块应用于叶栅环境中时的冷却性能表现。研究结果表明:放置月牙形挡块后的面积平均冷却效率相比无挡块的圆柱孔明显提高,上游挡块与高温主流燃气的相互作用产生了反肾型涡对,下游挡块与冷气相互作用也产生了反肾型涡对,反肾型涡对削弱了肾型涡对的不利影响;通过分析大涡模拟得到的流场内涡结构分布,发现圆柱孔模型中发卡涡水平涡腿会诱导产生肾型涡对,而通过挡块催生的新发卡涡的水平涡腿则会诱导产生反肾型涡对;优化后的的挡块模型在面积平均冷却效率值上相比参考块模型有不同程度的提升,在吹风比为0.5和1.5时下游优化挡块模型分别相对提升了6.2%和98.3%,而上游优化挡块模型则相对提升了127.8%和16.6%。通过比较,在吹风比为0.5和1.5时,上游优化挡块的面积平均冷却效率值与总压损失系数均高于下游优化挡块;优化后的挡块在应用于叶栅环境中时,上游优化挡块的冷却效率与总压损失系数也均高于下游优化挡块。