气膜冷却是现代航空发动机技术中比较重要的方面，气膜冷却因其固有的高效冷却特性成为航空发动机热端部件的主要冷却措施之一，其中发散冷却是目前引起广泛关注的一种冷却方式，其主要特征是被冷却壁面上的气膜孔更加密集，可以在燃气侧壁面附近形成相对完全覆盖的气膜层。本文针对发散冷却的特点，围绕提高气膜冷却效率的目标，对发散冷却结构进行改进，以期获得冷却效果更好的冷却结构。主要研究内容包括：针对平底形横向波纹壁面发散冷却结构，研究波纹结构形式和气膜孔结构参数对发散冷却流动和换热特性的影响规律；针对主流顺/逆压力梯度下的发散冷却结构，研究主流通道收缩比对发散冷却流动和换热特性的影响规律；针对发散冷却结构上游气膜冷却效率较低的特点，前端加狭缝冷却结构，研究狭缝射流对发散冷却流动和换热特性的影响规律。
　　首先，针对平底形横向波纹壁面发散冷却结构，研究了吹风比、波纹高度、波纹长度、气膜孔孔径、气膜孔排布方式和开孔率等参数对发散冷却结构流动和换热特性的影响规律。研究结果表明：与平板发散冷却结构相比，波纹壁面发散冷却结构气膜冷却效率在展向上呈现出波峰区域较低、波谷区域较高的趋势，同时在任意吹风比下，其展向平均气膜冷却效率沿流动方向均呈现逐渐增加之后趋于平稳的趋势，并且气膜冷却效率随着吹风比的增加而升高。随着波纹高度的增加，波峰和波谷交界区域气膜冷却效率有所升高，而波峰和波谷区域气膜冷却效率却有所降低，展向分布均匀性变差；波纹长度的变化对展向平均气膜冷却效率影响很小，随着波纹长度的增加，气膜冷却效率展向分布均匀性变好。在相同的单位冷却面积冷气用量条件下，减小气膜孔孔径、减小气膜孔间距比以及增大开孔率均能提高气膜冷却效率，相对于气膜孔孔径和开孔率的变化对气膜冷却效率的影响，气膜孔间距比减小带来的气膜冷却效率的提高幅度要小于减小气膜孔孔径和增大开孔率对其带来的影响。此外，增大气膜孔孔径、增大气膜孔间距比以及减小开孔率均能使流量系数增大，相比于开孔率对流量系数的影响能力，气膜孔孔径以及间距比对流量系数的影响可以忽略不计。
　　其次，针对主流顺/逆压力梯度下的发散冷却结构，研究了吹风比和主流通道收缩比等参数对发散冷却结构流动和换热特性的影响规律。研究结果表明：主流顺压力梯度时，气膜射流对主流的穿透会得到一定程度的抑制，气膜射流在加速主流的压迫下更加贴近壁面，气膜层厚度变薄，并且吹风比较小时，气膜射流速度较低，前几排气膜射流由于主流的抑制作用，甚至会形成逆流，吹风比较大时，气膜射流的速度增加，主流对气膜射流的抑制得到一定改善，壁面气膜层覆盖程度较好。而主流逆压力梯度则加剧了气膜射流对主流的穿透，在气膜射流沿流动方向逐渐叠加的作用下，气膜层的厚度得到改善，同时对壁面的保护也得到改善。因而，吹风比较小时，主流顺压力梯度下的展向平均气膜冷却效率和零压力梯度时相比有所降低，并且主流顺压力梯度越大展向平均气膜冷却效率降低的幅度也越大，相反的，主流逆压力梯度则使得展向平均气膜冷却效率有所升高，当吹风比较大时，主流流向压力梯度的变化对展向平均气膜冷却效率的影响相对较弱，主流顺压力梯度的减小和主流逆压力梯度的增大均能提高展向平均气膜冷却效率，但是提升的幅度较小。同时吹风比较小时，主流顺压力梯度使得热侧对流换热系数增大，而主流逆压力梯度则导致热侧对流换热系数减小，吹风比较大时，在气膜板上游区域，主流顺压力梯度和主流逆压力梯度均使得热侧对流换热系数减小，而在气膜板下游区域，主流顺压力梯度和主流逆压力梯度使得热侧对流换热系数增大。
　　最后，针对平板发散冷却结构，前端加狭缝冷却结构，研究了吹风比和狭缝结构等参数对组合冷却结构流动和换热特性的影响规律。研究结果表明：对于狭缝-发散冷却结构，气膜冷却效率在起始处较大，冷气流量较小时气膜冷却效率沿流动方向逐渐降低，而冷气流量较大时，气膜冷却效率先是略微减小，之后沿流动方向逐渐升高。对比发散冷却结构和狭缝-发散冷却结构，狭缝射流的存在对气膜冷却效率有很大的影响，特别是在气膜孔板的上游区域，气膜冷却效率升高的特别明显。在发散孔吹风比相同时，由于狭缝射流的存在，总的冷气流量增大，使得狭缝-发散冷却结构整体气膜冷却效率均大于发散冷却结构；而冷气流量相同时，由于狭缝射流的分流使得发散孔吹风比降低，在冷气流量较小时，尽管狭缝-发散冷却结构上游区域的气膜冷却效率显著高于发散冷却结构，然而在下游区域气膜冷却效率却有一定程度的减小；冷气流量较大时，虽然狭缝-发散冷却结构发散孔吹风比较小，但是此时气膜射流已经形成完全覆盖，因而狭缝-发散冷却结构气膜冷却效率整体均高于发散冷却结构。狭缝射流的存在仅对上游区域热侧对流换热系数有明显的影响，在相同的发散孔吹风比时，由于狭缝射流的存在，使得狭缝-发散冷却结构的对流换热系数降低，虽然狭缝射流存在时，总的冷气流量增加，但是下游远离狭缝射流影响的区域，对流换热系数基本无变化。