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为了获得更高的热效率,现代航空发动机\燃气轮机需要不断提高涡轮入口温度,这会造成叶片热负荷不断增大,使得热应力增加,对叶片产生极大的危害,因此为了提高叶片使用寿命,保证安全运行,采用先进冷却技术降低涡轮叶片温度成为当前发动机研制的重点。在所有的强化换热技术中,冲击冷却可以直接对高温区域进行高效冷却,常被应用于涡轮叶片前缘的冷却中。在涡轮叶片的前缘由于射流结构和滞止区面积的限制,研究相对困难且较少,目前关于叶片前缘冲击冷却的研究逐渐向精细化和强化换热控制方面发展。本文以燃气涡轮第一级动叶前缘内的冲击冷却结构为研究对象,通过实验测量和数值计算相结合的方法研究了射流雷诺数、射流孔位置、射流腔旋转、靶面有无气膜孔等参数对靶面换热的影响,并利用涡发生器抑制横流对射流冲击的负面影响来强化靶面换热,分析了靶面换热规律及强化换热机理。同时,还对射流冲击通道内的非定常流动和换热的作用机制进行了探索。研究结果可为设计和开发高性能的叶片前缘冲击冷却结构提供理论指导。本文的主要内容包括:1.设计并搭建了单排射流冲击实验平台和带横流的单孔射流冲击实验平台。基于一维半无限大平板瞬态导热的假设,采用瞬态液晶测温技术,测量了射流冲击凹形靶面的换热系数。2.采用实验测量和数值计算相结合的方法对不同射流雷诺数下(Re_j=12000,15000和20000)射流孔位置偏移的影响进行了对比研究,定量分析了射流孔偏移对靶面换热的影响,揭示了靶面冲击换热强化机理。考虑动叶前缘的冲击冷却会受到旋转和气膜孔抽吸的影响,采用数值方法分别研究了射流腔旋转和靶面有气膜孔对靶面换热的影响。3.通过实验测量和数值计算相结合的方法研究了射流孔前的射流腔上壁面安置涡发生器对靶面换热的影响,对比了涡发生器安置角度、安置位置、涡发生器高度、不同横流雷诺数以及涡发生器形状的影响,揭示了涡发生器强化靶面冲击换热的作用机理。4.采用k-ωSST-DES方法对叶片前缘冲击冷却进行了非定常计算,分析了叶片前缘射流通道内的非定常流动和换热特性,揭示了流场的不稳定性引起壁面非定常换热的机理。并在此基础上,应用POD和DMD两种模态分解方法进一步分析了射流腔内的非定常换热特性。