作为重要的工业装备,燃气轮机已经广泛用于包括航空、航海、机车、能源等工业领域,承担着极其重大的保障人民生活及安全的任务。随着传统化石能的源供应日益紧张,能源动力装置的效率和经济性渐渐成为了科研及工程领域人员关注的重点。对于燃气轮机而言,其透平进口温度的提高对于整体热效率的提高有着极为重要的意义。叶片冷却作为改善热端转子进口温度的关键技术,也早以成为了研究的热门领域。本文通过对叶片冷却结构之一的交错肋通道进行研究,得到了其在不同进口雷诺数工况、不同进口角度条件下的换热特性;利用大涡模拟等研究方法,得到了其在特性工况下的内部流场信息,从而得以更加准确的分析其换热特性。1.通过对不同进口角度的交错肋模型进行研究表明,进口几何角度对通道内的换热特性影响并不明显。在一定的进口工况条件下,壁面局部Nu分布特性以及全通道换热表面Nu数平均值均没有明显变化。与之相比,Nu/Nu0平均值略有变化,其值大致随着角度的增加而减小。也就是说,当进口转角增加,进口流场变得复杂时,通道的换热性能会有所降低。与之相反,在进口雷诺数一定的情况下,通道的阻力系数会随着进口转角的增加而略有降低。计算结果表明,进口角度为90°时,整个通道的阻力系数相比于其它角度的情况下降明显。结合换热性能与阻力性能两方面的计算结果,计算出综合换热系数TPF,结果表明在通道进口角度增加的情况下,综合换热系数TPF呈现出上升趋势。2.对于特定的进口几何角度模型,当雷诺数逐渐增加时,对于本文所计算的平板交错肋几何结构,其壁面Nu值随着雷诺数的增加呈现出单调上升的趋势,表明雷诺数越大,换热强度越大。但是,当雷诺数同样逐渐增加时,壁面Nu/Nu0值却不是单调变化的。而是先随着雷诺数的上升逐渐下降,之后随着雷诺数的上升Nu/Nu0值逐渐上升;交错肋结构的摩擦因数随着工况雷诺数的增加而降低。当雷诺数降低时,摩擦因数下降的幅度较大,当雷诺数继续增加时,摩擦因数继续下降,但降幅明显减小。3.为了得到交错肋结构的内部流场,本文利用大涡模拟(LES)方法对Re=30000工况条件下通道的流动换热情况进行了仿真计算。通过流线分析、截面速度适量分析,以及利用涡识别方法,对计算结果分析发现,在交错肋通道中,沿着子通道方向广泛存在着纵向涡团。子通道独特的弯折特征是这些涡团产生的主要原因。另外,子通道相互交错的流动特点,也对这些涡团的发展产生了重要影响。结合温度场分析、壁面Nu数分析,以及场协同原理,对计算结果分析发现,子通道内部的主流纵向涡、铁壁纵向涡以及交错通道引起的剪切涡,对通道的换热特性能存在重要影响。主流纵向涡的存在加强了冷却空气内部能量交换,是的主流中心区域的温度分布更加均匀。主流纵向涡、贴壁纵向涡以及剪切涡一起,强化了对近壁区域流动边界层和热边界层的破坏,从而加强了换热。纵向涡还使得主流中速度适量与温度梯度适量的夹角变小,更加有利于冷却空气与壁面的热量交换。4.本文搭建了基于激光测量技术的粒子图像速度测速(PIV)实验台,以便对交错肋等比放大实物模型中,子通道内部流场特征信息进行测量,为后续对交错肋通道的研究做好准备。