反向旋转涡轮盘腔内的流动和换热问题是包含多个复杂旋转力作用的流动和换热问题,具有重要的学术意义和应用前景。本文采用数值模拟结合实验研究的方法研究了反转盘腔内的流动、换热特性以及旋转盘热应力。论文主要内容有:设计搭建反转盘腔壁面温度无线测量实验台,并对旋转台结构强度以及温度无线采集模块进行了校核;通过实验测量了不同中心轴向进气量下的反转涡轮盘腔壁面温度,并与数值计算结果相对比,验证了计算方法的正确性;通过数值计算研究了反转盘腔系统在不同进气量、转速、出口间隙尺寸以及进气位置等参数下的稳态流动结构、旋转壁面换热特性以及旋转盘应力,得到如下结论。随着进气量的增大,高半径位逆时针涡胞强度增大且向低半径位扩张,滞止点向内移动;上、下游盘壁面换热系数增大,上、下游盘壁面温度降低,但上游盘变化量显著。旋转盘高应力区域为轴与盘的连接位置以及盘缘区域,且等效应力随半径增大先减小后增大。随转速增加,轴向中心面中心区域的逆时针涡胞加强且扩张,周向分布顺时针涡胞被压缩;滞止点向外围屏移动,而上游盘的近壁面气体径向速度增大,壁面高半径位温度下降,低半径位壁面温度升高。高转速时,壁面温度随转速增大而减小。转速改变对转盘盘缘热应力分布有较大影响。在本文讨论的范围内,出口间隙的变化对流动结构和换热特性的影响较小。进气位置决定了高半径逆时针涡胞以及与该涡胞相邻涡胞的边界,且随着进气位置变高,盘腔中心逐步形成一个涡旋,下游盘近壁面气体径向速度在射流初步形成区域最大。中分面高半径位置逆时针涡胞和轴向中间截面逆时针周向涡胞尺寸受到离心力、径向哥氏力以及进气惯性力影响,前者径向流在径向哥氏力和浮升力的作用下使气流产生角动量形成涡胞,后者则是由外围屏黏性力提供角动量以形成涡胞。旋转盘换热系数主要受到近壁面气体径向速度影响,而旋转盘壁面温度与整体壁面换热系数相关,分布情况则受进气位置影响。在中低转速情况下,气动应力与离心应力最大值比热应力最大值分别低两个数量级和一个数量级,整体应力水平由热应力主导。随进气半径位置的升高,下游盘冷却效果减弱,温度梯度在进气半径位置附近呈突然增大趋势。进气位置位于半径中间区域时,下游盘热应力分布最为均匀,而中心进气则具有最小的热载荷,低位进气具有最小热应力最大值。