燃气轮机具有运行高效和排放清洁的特点,广泛应用于航空及舰船动力、电力等行业。提高燃气轮机效率的关键在于提高涡轮的进口温度,这就需要更加有效的冷却技术来保证高温部件的正常工作。冲击冷却由于具有很强的换热性能而受到广泛关注。本文将冲击冷却与肋化表面相结合,研究了光滑靶板、微小W肋靶板和微小W密肋靶板表面射流冲击冷却。通过稳态实验、瞬态热色液晶测试技术和数值计算相结合的方式研究了不同冲击间距比下结构化表面的换热特性、阻力损失以及内部流动特性,揭示了其强化换热机理。研究结果表明:三种靶板的平均努塞尔数和压力损失均随Re的增加而增加,随冲击间距比H/D的增加而减小。对于微小W肋靶板,来流越过W肋能在其后端形成高速的涡流,该涡流能够与整体横流及两射流孔之间的壁面流相互作用,增强了近壁面的湍流度,从而提高结构的换热性能。当冲击间距比H/D=1.5时,与光滑靶板相比,微小W肋靶板的平均努塞尔数提高了5.1%~7%,压力损失却几乎不变。但当H/D>3时,由微小W肋带来的强化传热效果并不显著。对于微小W密肋靶板,位于冲击孔前后位置的微小W型肋限制了冲击射流沿壁面向四周发展,导致了光滑区域湍动能不足,从而降低了结构的换热性能。当H/D=1.5,雷诺数Re=25,000和30,000时,微小W密肋靶板的平均努塞尔数比光滑靶板分别低6.8%和11.4%,压力损失几乎不变。在其他雷诺数或是间距比下,微小密肋靶版和光滑靶板换热性能相差不大。与光滑平板相比,微小W密肋靶板拥有更好的换热均匀性,可以有效地控制驻点流区的换热。通过非稳态数值计算发现,射流冲击是一种非定常流动,与KelvinHelmholtz不稳定性密切相关。射流通过冲击孔时,与周围流体存在很大的速度差,这时就会有剪应力产生。横流也会产生剪应力效应。这些剪应力引起了Kelvin-Helmholtz不稳定性现象,从而产生了KelvinHelmholtz涡。