随着航空发动机涡轮前温度的不断升高,使得涡轮叶片内冷结构的设计分析工作要求极为苛刻,必须采用先进的内部冷却技术或改进内部冷却结构来降低叶片表面温度。基于此,本文对涡轮叶片内冷结构热力耦合机理及其流动换热特性进行了深入的研究,进而对内冷结构性能改进进行了探索性研究。主要研究内容如下。(1)完成了涡轮叶片流动-传热-应力多场耦合特性的研究工作。首先,通过将流固耦合计算结果和实验数据对比,验证了SST k-w湍流模型能准确预测涡轮叶片中的逆压梯度流、激波以及边界层转捩等复杂流动;详细分析了涡轮叶片周围的边界层流动、动力学特性、对流换热特性和叶片内部的换热特征。最后,使用流固耦合的叶片固体区域网格完成了流固耦合和热力耦合数据交换,实现了热力耦合分析,得到了热力耦合特征。(2)开展了传统肋片后台阶侧壁和底部壁面的低换热区域的改进研究。结果表明,回流区域覆盖的肋片侧壁和底部壁面的换热效果得到了有效的改善,并且侧壁倾斜角度越大换热效果越好。在换热面积最小的情况下,150°倾斜侧壁取得了最好的换热效果,并且流阻的增加也控制在可以接受的范围内。(3)研究了导向扰流柱形状以及结构参数对冷却通道换热和流阻特性的的影响。结果表明,倾斜型扰流柱对主流的扰流效果最为剧烈,使得高湍流区域几乎覆盖半个肋片通道,能有效地提高带肋通道的换热效率,获得最佳的换热效果;圆柱型扰流柱和椭圆型扰流柱的扰流效果最差,但能有效地减小流动分离产生的负压区、缩小对转涡,得到了最小的通道流阻。凸型扰流柱使肋片通道流阻增加最大。另外,较高的肋间距与肋高比(P/e)将会获得更好的综合性能,越大的截面长宽比(AR)意味着更好的换热特性,同时也会产生更大的流动阻力。