在航空发动机燃烧室几何结构以及相关冷却机制的共同作用下,燃烧室出口处存在着有明显周向和径向梯度的非均匀温度场和速度场,即燃烧室出口/涡轮进口同时存在热斑和旋流。深入理解热斑和旋流共同作用对下游跨声速一级高压涡轮叶片流动和换热特性的影响对于涡轮叶片高效冷却设计具有重要意义。高压涡轮内的流动存在高雷诺数、跨声速等流动特性,因此流动和传热过程显著受到流体可压缩性的影响。数值研究跨声速状态下的涡轮流动传热必须考虑可压缩性效应。传统的雷诺平均方法RANS和大涡模拟方法LES在涡轮相关的可压缩流动和传热研究方面都存在一定的缺陷。传统的雷诺平均方法没有考虑可压缩性的影响,计算结果精度不够,而大涡模拟方法现阶段则由于对计算资源需求巨大而难以应用在动静一级涡轮相关的跨声速流动和传热计算中。本文由此基于新开发的可压缩性修正雷诺平均方法RANS和高效率、高精度的超大涡模拟方法VLES,分别对旋流、热斑等非均匀进口影响下动静一级高压涡轮叶栅通道内的流动和换热特性进行了定常和非定常数值研究。可压缩性修正方法在传统的RANS方法上加入了可压缩性修正湍流模型,更适用于跨声速的流动和传热工况。而非定常的VLES方法在保证计算精度的同时可以显著减少计算量,从而适用于复杂的一级涡轮流动传热非定常计算。此外,本研究还开展了旋流进口影响下涡轮叶栅内流动过程的PIV实验研究。首先对本研究采用的新型可压缩性修正雷诺平均方法和超大涡模拟VLES方法进行了数值验证,分别选取了高雷诺数下LS89叶片跨声速工况以及跨声速带间隙高压涡轮算例,以验证新方法计算跨声速高压涡轮流动和换热的精度和可靠性。研究结果表明:在相同的计算条件下,定常的可压缩性修正方法和非定常的VLES方法均比广泛采用的SST k-ω湍流模拟给出更好的预测结果,与实验值更加吻合。随后,采用可压缩修正方法和经典的SST k-ω湍流模型分别对热斑进口和旋流热斑进口影响下的一级高压涡轮内复杂流动和换热开展了定常数值研究,然后采用VLES方法对相同工况开展了非定常数值研究。研究结果表明:SST k-ω模型计算的叶片表面的压力分布相对更加平滑,叶片表面的换热系数计算结果与可压缩性修正方法计算结果差异较大,表明跨声速一级涡轮流动和传热计算中需要考虑可压缩性效应的影响。热斑进口下热斑对叶片的气动特性影响较小,高温流体主要向静叶吸力面发生迁移。正对叶片前缘的热斑会造成动叶中跨区域换热增加。正对叶栅通道中心的热斑在静叶叶栅通道中形态保持相对完整,对动叶表面的换热影响较小。旋流热斑进口下一级涡轮内流动换热的情况变得复杂,通道内的马赫数和压力分布更加不均匀。旋流热斑正对叶片前缘时,静叶前缘和压力面压力分布发生扭曲,动叶前缘出现了两个高换热区,且随着旋流强度的增加数值增大。对比定常与非定常结果可以发现热斑在一级高压涡轮内的迁移存在着显著的非定常特征,静子出口周期性变化的尾迹是造成转子叶栅通道内非定常流场的重要因素。正向旋流恶化了叶尖处的热环境,强反向旋流减小了叶尖处的热负荷。最后开展了旋流进口影响下涡轮平面叶栅流场的PIV实验测量研究。研究表明旋流进口下,叶片压力侧生成了旋流涡,吸力侧的主流对叶尖间隙的流动挤压程度更大,形成的泄露涡由近似的圆形变成了椭圆形。