燃气轮机是能源高效转化与洁净利用中的核心动力装备，气膜冷却则是当代燃气轮机提升燃气初温解决透平冷却问题的主要方法，对于保证燃机高效和安全具有重要意义。气膜冷却作为近壁三维复杂流动传热现象，其湍流流动和标量扩散受到近壁大尺度相干结构的控制，具有较强的各向异性特征。同时随着计算机技术的发展，基于粘性流体力学的三维数值计算方法在气膜冷却的研究中起着越来越重要的作用。本文在对气膜冷却进行详细的流动和传热测量基础上，建立了变参数条件下气膜冷却流动传热数据库，揭示了气膜冷却各向异性湍流场中流动和传热的相互作用机制；发展了适用于气膜冷却预测的代数各向异性湍流模型修正方法，提高了对气膜冷却的数值预测精度；结合实验和数值研究，总结归纳了气膜冷却在带有曲率、压力梯度的前缘和静叶上的流动传热特性。代数各向异性湍流模型修正方法的提出以湍流涡黏系数的各向异性修正作为切入点，进而通过高阶广义梯度扩散假设对湍流标量扩散项完成各向异性修正，提高了传统涡黏湍流模型对近壁区域雷诺应力和湍流标量扩散的预测能力。选取了大量的经典气膜冷却实验和在本课题组实验台上完成的气膜冷却实验结果验证了该修正方法在气膜冷却预测上的有效性。基于气膜冷却机理研究实验平台，对不同孔型、工况平板气膜冷却的流场涡系结构和传热结果进行了详细的测量，同时得到气膜冷却流动、传热实验数据。依据流场和传热实验结果，首先验证了所发展的代数各向异性湍流模型的可靠性，进而结合数值预测所得到的更为丰富的流动传热信息，揭示了气膜冷却复杂湍流场中流动与传热的相互作用机制。针对前缘气膜冷却采用实验和数值研究相结合的方式，验证所发展的代数各向异性湍流模型在带有曲率和压力梯度情况下的适用性，并进一步采用该数值模型研究气膜冷却在静叶上所表现出来的复杂特性及其控制机制。分析总结前缘和静叶主流流动与气膜冷却相互作用的机理，以及气膜冷却在叶片不同部位的流动传热特性。