气膜冷却是燃气轮机热端部件的一种重要冷却方式,随着现代先进燃气轮机对功率和效率的要求不断提升,热端部件对冷却性能的要求也在不断增加,亟需高性能气膜冷却技术的应用。然而,涡轮叶片气膜冷却技术的应用还受到加工、气动性能和辅助装置的复杂性能等因素的限制。因此,研究应从目前可行的冷却结构入手,探究对冷却性能造成影响的主要流场特征和流动细节,而后,基于以上认识,进一步改进优化其冷却能力,并充分考虑复杂的综合因素对它的影响,从而为其走向工业应用提供可靠的理论保障。本文以沉槽型气膜孔作为主要研究对象,结合大涡模拟和雷诺平均湍流模型各自数值仿真优势并加以应用,从沉槽型气膜孔的时均和非定常流场机理出发,结合其流动特征提出改型方案;并探究在涡轮前缘滞止流动特征下沉槽型孔带来的冷却性能的提升;最后在实际涡轮叶片中进一步考核上述结构的冷却表现。首先,针对平板冷却模型利用大涡模拟系统地研究了沉槽型气膜孔下游时均和非定常流场,探讨了与圆柱型孔的差异,并揭示了不同流动和几何参数的影响。研究表明,复合角度为0°的沉槽型孔下游瞬态旋涡结构主要包括类发卡状旋涡、K-H涡、滞止涡以及一系列非定常涡管,其中不同位置的类发卡状旋涡为时均结果中较大空间尺寸的对旋涡对和反对旋涡对的涡量来源。不同吹风比时,涡量强度以及分布方式存在差异的两种时均流向旋涡使得当地冷却效率分布也存在不同。复合角度为90°的沉槽型孔下游存在一个空间尺度更大的非对称旋涡,不同于复合角度为0°的情况,孔内迎风侧的分离区域也为其涡量来源,而且横向槽对孔内流体的下游发展影响有限,这使得复合角度为90°时下游冷却效率受集气腔内冷气来流方向的影响更大。其次,基于沉槽型孔的机理研究结果,利用雷诺平均湍流模型研究了槽唇部改型以及旋涡相互干涉的沉槽型冷却单元对冷却效率的提升,总结了上述方案适用的流动工况,并利用大涡模拟研究了沉槽型孔冷却单元中非定常旋涡在相互干涉下的流向发展情况。研究表明,沉槽型孔中槽唇部改型为倒圆有助于降低冷气的法向出口速度,消除下游分离旋涡区域对冷气覆盖的不利影响,但相比于原型,该结构仅适用于吹风比0.5到1.0的范围。在沉槽型孔上游引入冷气射流增强反对旋涡对的冷却单元中,无论引气来自于圆柱型孔还是沉槽型孔均可以在各个吹风比下明显提高冷却效率,其中上游布置为沉槽型孔可以显著加速不利的发卡状旋涡的破碎,但产生的一系列小尺度旋涡加剧了冷气的耗散,使得冷气的流向延展能力变弱。再次,在简化前缘气膜冷却模型中,利用雷诺平均湍流模型研究了沉槽型气膜孔相对于圆柱型孔的时均流场和冷却性能的差异,利用大涡模拟方法总结了简化前缘模型和平板冷却模型的流场和冷却效率分布不同;并基于沉槽型孔在前缘区域冷却特征,论证了其在主流旋流条件下稳定的冷却性能。研究表明,在滞止线上布置沉槽型孔对冷却性能的提升只体现在吹风比1.0到2.0之间的工况,其中滞止线附近的非定常涡管是冷气输运到下游的重要因素;在距滞止线25°位置上布置沉槽型孔可以在吹风比0.5到3.0内提升冷却效率,且缩小高换热区域。另外,前缘布置沉槽型孔还可以降低主流入口旋流对冷气分布的不利影响,且冷却效率的提升随着吹风比增加而愈加显著。最后,为进一步评估上述冷却结构及结论在实际涡轮中的应用,运用雷诺平均湍流模型研究了沉槽型孔冷却结构在涡轮前缘和吸力侧的流场和冷却性能,总结了气热耦合计算中热障涂层和金属表面温度分布趋势与绝热计算中的差异。研究表明,涡轮前缘布置带沉槽型孔的三列25°倾斜角喷淋孔结构带来了显著的冷却效率提升,但是由于吸力侧和压力侧当地流动状态的不同,适用的冷气量范围也存在差异;在吸力侧布置带沉槽型孔的冷却单元同样可以在不同吹风比和雷诺数下获得冷却效率的提升;在涡轮前缘和吸力侧布置沉槽型孔的冷却结构并不会增加气动损失。气热耦合计算表明带沉槽型孔的冷却结构在热障涂层表面的冷却优势更明显,而内部金属表面受集气腔冷气流动特征影响更大。