内部冷却是广泛应用于重型燃气轮机叶片的冷却方式。而传统带肋叶片内部冷却结构,存在流动阻力大、温度分布不均匀等问题,从而限制了叶片冷却效率的提高。因此,寻求新的冷却技术对促进重型燃气轮机技术的发展具有十分重要的意义。其中,微通道换热技术和凹坑旋流强化换热技术由于其流动阻力低,换热效率高等特点,可以取代传统的带肋通道,使叶片的换热性能得到提高,保证透平叶片安全、可靠的工作。本文首先根据叶片冷却综合换热性能因子η最大,确定了树状分叉微通道结构参数的标度率。其次,在实验基础上研究在不同雷诺数、加热功率下,光滑壁面树状分叉微通道结构内的流动阻力和换热特性。在分析微通道的流动及换热时,应用摩擦阻力系数、努塞尔数和综合强化换热因子η对流道进行评价。同时,采用数值计算方法研究了流体在树状分叉微通道内的流动情况,分析获得努塞尔数、流动阻力系数及综合换热因子与流量、冷却工质等因素之间的关系。并且,对湍流模型进行验证和网格无关性验证,确定了数值计算所采用的湍流模型和网格数。最后,开创性地将微通道和凹坑结合起来,建立了带凹坑壁面的树状分叉微通道几何模型,凹坑间距分别为P/D=3,P/D=6和P/D=9。通过数值计算方法,分别以空气和蒸汽作为冷却工质,在相同的工况下,研究了凹坑间距对凹坑壁面树状分叉微通道流动阻力特性和换热特性的影响,并与光滑壁面树状分叉微通道进行对比。分析了流体在带凹坑壁面的树状分叉微通道中的流动规律和对流换热效果。得到的结论对促进叶片冷却技术的发展具有一定的借鉴意义。