在如今科技飞速发展的时代,燃气轮机在装备制造业中有着举足轻重的地位,广泛应用于航空、船舶、地面发电等领域。而影响燃机性能的重要参数之一是燃机涡轮叶片的进口温度,更高的涡轮进口温度有利于燃机整体性能的提升。随着燃机输出功率的不断提升,涡轮叶片的进口温度已经远超过制造叶片的金属熔点,因此,研究叶片内部冷却技术,对叶片进行有效的冷却降温,是保证燃机稳定可靠运行的前提条件。本文主要以交错肋冷却通道为研究对象,利用数值模拟和瞬态液晶实验相结合的研究方法,揭示了这种高效的叶片冷却结构的流动换热机理。并对其进行了结构上的优化工作,本文的主要工作内容和研究结论如下:1.本文搭建了低速风洞实验台,在瞬态液晶实验之前对液晶进行了标定工作,利用瞬态液晶技术对多种交错肋的优化结构进行了换热性能的测量,得到了雷诺数在16000~30000区间的表面努塞尔数分布情况,为数值模拟的结果增加了有力的补充和验证。2.使用三维建模软件Pro/ENGINEER建立交错肋冷却通道的计算模型,然后使用ICEM CFD软件建立结构化网格,确保网格有足够的质量和细密程度,使用商业软件ANSYS Fluent进行求解。在雷诺数30000、50000和80000工况下,利用大涡模拟计算方法,对简化放大后的交错肋通道进行了数值计算,模拟通道内部流场和换热性能的随时间的变化情况。分析了交错肋通道的内部流动特性、压力损失特性及换热特性,结果表明交错肋通道在转弯的区域中,存在气流对壁面的冲击效应,强化了壁面的换热能力。当气流通过弯折结构,气流被强制旋转90o,改变流动方向并产生了二次流,形成的纵向涡结构附加于主流之上,也增加了换热性能。3.在原始的交错肋通道模型的基础之上,通过在单侧或双侧的表面上增加球凹和球凸结构,在阻力没有明显提升的前提下,提高其强化换热系数,进而优化综合换热性能(TPF),本文计算了雷诺数10000~80000工况下15种不同改进结构,并同实验数据进行了对比。分析发现,相比球凹或球凸在深度或高度直径比为0.1和0.2的方案,球凹或球凸在深度或高度直径比在0.3时,模型的换热效果更好。双侧球凹结构方案换热性能好于单侧球凹结构方案。对于双侧球凹结构的方案,增加球凹结构的数量有利于换热性能的提高。球凹球凸交错排列的结构换热性能最好,相比原始方案,强化换热系数提升了8%左右,综合换热性能提升幅度达到5%左右。