涡轮发动机工作过程中涡轮叶片将直接受到高温高压气流的冲击,对涡轮叶片实施有效的冷却是保障涡轮发动机正常工作和提高发动机整体性能的前提,因此正确理解涡轮叶片内部流动换热的机理,是非常必要的。随着计算机技术的发展,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)已经成为一种探索流动换热机理的重要工具。有别于传统基于Navier-Stokes方程的CFD方法,格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是一种介于宏观连续模拟与微观分子动力学模拟之间的介观模拟方法。LBM自诞生以来,因其物理背景清晰、易于并行计算、程序易于实现等诸多优点,受到了许多学者的青睐,短时间内得以迅速发展并成为计算流体力学强有力的数值模拟方法,目前已被广泛应用于流体力学、传热学、量子力学等多个研究领域。本文首先从LBM的基础理论出发,重点介绍了基于多松弛时间(Multipe Relaxation Time,MRT)的双分布函数热格子Boltzmann模型;在此基础上,提出改善LBM计算数值稳定性的扩散系数抵消方法,通过方腔自然对流换热进行数值验证;最后,将涡轮叶片尾缘柱肋的冷却问题简化为经典的圆柱绕流的流动与换热,对单个、并列双圆柱在静止、旋转时的流动换热机理进行计算,为涡轮叶片尾缘的流动换热控制提供理论依据。本文的主要研究内容和成果如下:(1)采用扩散系数抵消法改善了传统算法模拟低粘性流动时易发散的现象。优化方式是在双分布函数的演化方程中,先人为的添加附加粘性系数和附加热扩散系数,然后引入外力项和源项来消除附加扩散系数带来的影响。以方腔自然对流换热为例,将计算结果与现有文献数据对比来验证算法。结果表明,在网格数量较少的条件下,该算法依然能保证计算精度,提高数值稳定性的同时降低计算成本;但附加扩散系数的选取不宜大于实际扩散系数的3倍,否则误差将会增大。(2)通过单圆柱的平均阻力系数和St数与文献实验数据对比,验证了自编程序求解圆柱绕流流动换热问题的可靠性。计算了不同雷诺数下单圆柱绕流的流动与换热情况。随着雷诺数的增大,流场由定常流动转变为非定常流动,圆柱后会有卡门涡街生成,温度场的分布也因涡街的扰动不再连续。(3)在单圆柱计算结果的基础上,选取四种典型间距比(G/D=1.2,1.7,2.5,4.0),分别研究并列圆柱静止及旋转状态下流体的流动特性。结果表明,随着间距比的增加存在三种典型的尾流流型:单涡街流,偏流流型以及同步对称流型;随间距比的增大,时均阻力系数减小了19%,时均升力系数减小幅度达到70%。(4)进一步探究了上顺下逆的旋转方式对尾流结构的影响。发现圆柱旋转可以有效地抑制漩涡的生成和脱落。并且当转速比达到临界转速比后涡街消失。四个间距比对应的临界转速比|α_c|分别为1.2,1.2,1.3和1.7。同时,圆柱时均升力系数的绝对值随转速比的增大而增大,而时均阻力系数则随着转速比的增大而减小。说明并列双圆柱的旋转可以有效改善流场的流动稳定性。(5)引入热格子模型考察圆柱绕流的换热特性。结果表明:尾流结构与温度场分布密切相关,尾涡的扰动可以增强圆柱的换热效果。对于并列双圆柱,间距过小或过大都不利于强化换热,间距比小于1.2时两圆柱与流体无法充分换热,而间距比大于4时两圆柱干涉作用减弱可视为相互独立的单圆柱。对于并列旋转双圆柱,旋转虽可以消除涡街的干扰,但圆柱表面的对流换热强度也随之减小。四种间距比下圆柱平均Nu数都是随着转速比的增大而减小;相较于静止状态,其中间距比为1.2时,最大转速比的单个圆柱的平均Nu数减小了33%;间距比为2.5时,临界转速比对应的平均Nu数减小了约10%。在综合考虑流动和换热特性时,发现:临界转速比可以在避免流道发生堵塞的同时尽可能保障柱肋与流体之间的对流换热能力。