燃气轮机是一些重要行业发展的推动力,应用广泛。基于提高循环效率和输出功率的目的,燃气轮机的涡轮入口温度已经提升到了传统涡轮材料的熔点之上。因此冷却系统被用来保证高压涡轮的正常运行。内部扰流冷却是冷却系统的重要一环,扰流结构增强了气流的湍动度,同时增强了叶展方向的传热均匀度,降低了壁面的热力梯度。对扰流流动与传热的机理进行研究有助于高性能冷却系统的设计。数值方法在涡轮相关问题的研究中应用越来越广泛。内冷通道中的流动具有强烈的非定常特征,选择可靠的CFD程序,精确估计流场结构和壁面传热尤为重要。因此本文针对典型的扰流肋结构和新兴的凹坑结构,分别采用雷诺平均方法和大涡模拟方法进行数值研究,对比分析了各湍流模型在流场预测和传热估计中的表现,并结合大涡模拟的计算结果,从不同的角度对内冷通道流场及其与壁面传热的物理机制进行了详细的阐述。首先针对广泛研究的肋结构,结合已有的实验数据分别对周期性和全尺寸计算域进行了数值计算。对比分析结果表明,RANS模型在肋顶加速区和近壁面回流区的预测能力较差。对于湍流度的分布,大涡模拟与雷诺平均方法都预测到了湍流强度最大值的空间位置;在数值方面,大涡结果与实验值变化趋势相同,但值略低于实验值;雷诺平均方法结果的变化趋势和数值与实验值不符。在传热方面,大涡模拟在肋间和肋后表面的预测表现最佳,SSG模型在肋顶表面表现最佳。大涡模拟捕捉到了肋顶扁平涡结构的产生与脱落与过程,指出它在近似肋顶面的高度和下游空间内发展并掺混,强度逐渐衰减,该过程与湍流强度的分布规律一致,获得了肋前分离流动中向侧壁面偏转的横向二次流等更加详细的流场结构。给出了肋表面壁面流谱结构。并给出了近壁面湍动能与壁面换热系数之间的定量关系式。基于以上的研究结果,本文针对新型的凹坑扰流结构,分别采用雷诺平均方法和大涡模拟方法进行数值研究。研究结果给出了凹坑内瞬时大尺度涡结构的发展演变过程,指出了前缘涡结构的产生及其随主流涡轴弯曲并从尾缘脱落的过程。错排凹坑流场中,来源于上游凹坑的湍涡及其引起的脉动速度和剪切应力会影响到下游凹坑的流场分布。并指出与几何边界浸入流域的扰流结构相比,高湍动能及雷诺应力区空间尺较小且位置紧靠壁面是凹坑通道产生更小损失的原因。对比分析表明:凹坑内的流线和壁面流谱存在不同的形式,壁面换热系数分布与空间流动关系密切。