气膜冷却在现代航空涡轮发动机热端部件的冷却结构中具有十分重要的作用。尽管国内外针对气膜冷却已经开展了大量的研究,但进一步提高气膜冷却的性能仍然是一个富于挑战和创新的研究课题,其核心问题在于如何降低气膜出流向主流的穿透率以及增强气膜出流向下游的延伸能力。本文以此为研究背景,对一种新型收敛缝形气膜孔冷却结构的流动和换热特性开展了数值和实验研究。研究内容主要包含两个方面:其一,针对平板收敛缝形气膜孔的冷却结构,分析和探讨收敛缝形气膜孔的流动传热特性,揭示其强化冷却的物理特征,系统研究气膜孔结构参数对于冷却特性的影响规律,获取较为优化的结构参数;其二,在平板气膜冷却的基础上,开展涡轮叶片收敛缝形孔气膜冷却特性的研究,归纳主流雷诺数、吹风比及气膜孔弦向位置等因素对叶栅气动及叶片换热特性的影响规律。对平板收敛缝形气膜孔影响气膜出流流动和冷却效果的机制进行了研究。研究结果表明,由于收敛缝形气膜孔所固有的流道型面,即在圆转矩形的过渡过程中,气膜孔沿出流方向呈逐渐收敛状,在展向则呈两侧对称扩张状,使得气膜出流的状况以及气膜出流与主流的相互作用均具有其独特的物理特征。主要体现在:(1)二次流在两侧扩展流动并在两侧向上抬升形成与常规圆形气膜孔卵形涡对旋向相反的涡对,涡对旋向的改变,避免了常规圆形气膜孔卵形涡对诱导主流向气膜孔两侧区域的侵入现象,使得气膜出流在展向上的覆盖更为均匀;(2)二次流在收敛孔内的加速流动提升了气膜出流向下游的延伸能力,同时气膜出流在侧向的扩张又使得气膜出流向主流的穿透得到了有效抑制,气膜出流的速度剖面具有沿流向峰值速度增加且峰值速度对应的壁面法向距离减小的特征。因此,与常规圆形气膜孔相比,收敛缝形气膜孔能够有效改善气膜冷却效率。在较宽的吹风比范围内,对平板收敛缝形气膜孔的冷却特性进行了研究,较为系统地分析了收敛缝形气膜孔的结构参数对冷却特性的影响。研究结果表明,随着吹风比的增加,收敛缝形孔的流量系数和冷却效率均随着增大;无论在何种吹风比条件下,收敛缝形孔的冷却效率均高于圆形孔,且在大吹风比下更为显著;缝宽0.2d、高度为1.2d及倾角35°左右的气膜孔具有较高的冷却效率及流量系数,是收敛缝形孔的较优结构参数。针对某型导向叶片的曲面结构,研究了吸力面收敛缝形孔气膜冷却对涡轮叶栅气动损失的影响。研究结果表明,收敛缝形气膜孔的能量损失和总压损失系数均随着吹风比的增加而增加;随着主流雷诺数的增加,不同位置处气膜孔的能量损失系数随之降低,总压损失系数随之增加;叶栅通道喉部上游气膜孔的能量损失及总压损失系数最低,而喉部下游的气膜孔在大部分工况下的损失系数最高;与圆形孔相比,位于叶栅通道喉部上游收敛缝形气膜孔的损失系数较低,位于叶栅通道喉部及下游则存在气动损失较高的工况。叶片吸力面3个典型位置处收敛缝形孔的气膜冷却效率随着吹风比及主流雷诺数的增加而提高,显示出冷却效率随冷气流量增加而提高的特点;相对来说,叶栅喉部前气膜孔排的冷却效果较好;与圆形孔相比,收敛缝形孔的冷气能更好地覆盖下游叶片,在展向形成相对连续的气膜,冷却效率的均匀性较好,且沿程的冷却效率较高。收敛缝形气膜孔的对流换热增强比随着吹风比及主流雷诺数的增加而提高,在不同工况下,收敛缝形孔的换热增强能力高于圆形孔。相对于常规圆柱形气膜孔,位于叶栅通道喉部上游的收敛缝形气膜孔既具有较低的气动损失系数又具有较高的气膜冷却效率,说明在叶栅流动的加速区域开设收敛缝形气膜孔可得到理想的气动和冷却效果。