提高涡轮前温度是提高航空发动机整机热效率和推重比的重要途径，然而由此导致的涡轮寿命缩减问题十分突出，气膜冷却作为保护金属壁面的重要技术，在航空发动机、燃气轮机的技术发展历程中发挥着不可替代的作用。近年来，高压涡轮端区气膜冷却的研究受到众多学者的关注，其主要原因有两点:涡轮前温度不断提高导致端壁近壁燃气温度升高，端壁附近金属壁面的承温能力极具挑战;（超）低展弦比涡轮气动设计方法的推广使用，不仅使得端区的二次流效应增强，同时，伴随着叶片数量的减少，端区壁面面积占比日益增加。然而，与叶身冷却不同，受端区附近强二次流效应的影响，端区气膜冷却的冷气出流将具有复杂的三维流动特性。
　　为高效利用冷气，优化端区冷却布局，提高端区气膜冷却有效性，本文采用高精度三维数值模拟和实验相结合的研究方法，研究了高压涡轮导向器端区气膜冷却的特性。本文主要的工作内容和相关结论如下:
　　(1)挖掘新型冷却结构——离散缝，提出离散缝+气膜孔组合冷却构型。
　　离散缝设计目的是优化上游端区缝出口冷气出流分布规律，集中冷气以冷却叶片前缘、叶片根部压力面等特定的区域。首先采用RANS数值模拟方法，聚焦该叶型端区的二次流特征，分析冷气射流和端区二次流之间的相干机制。针对特定的参数化几何结构，对比了常规缝和离散缝的冷却特性，分析二者所具有的差异化冷却特性。研究了离散缝冷气量、轴向位置、周向位置和冷气射流攻角对端区气膜冷却特性的影响。研究发现，当离散缝冷气动能低于边界层内流体能量时，端壁二次流被加强，气膜冷却效果较差;反之，当冷气动能高于边界层内流体能量时，端壁二次流被抑制，气膜冷却效果将得以改善。二次流形态、冷气迁移特性以及冷气沿缝出口下游的分配规律决定了端区的冷却效果。针对离散缝结构，提出离散缝组合气膜孔冷却布局。组合布局能够合理利用冷气，提高端区气膜冷却整体效果。气膜孔不仅受端区固有二次流的影响，还受上游台阶造成复杂流动的影响。在两者组合影响下，气膜孔出流发生复杂变化，改变了流向和轴向的冷却特征。
　　(2)探寻叶栅端壁冷却和平板冷却关联关系——探讨端区分区冷却机制。
　　搭建低速传热叶栅试验台，应用红外热像仪测温方法测量平板和叶栅端壁气膜冷却有效性分布。首先，利用平板二维缝实验结果验证了实验方法的准确性;其次，开展叶栅实验，研究了离散缝气膜冷却规律，并对比分析了平板冷却和叶栅冷却的关联关系。平板二维缝实验发现，在M＜1.3时平板缝气膜冷却符合湍流边界层关联式，当M＞1.3时符合射流模型关联式。然后，实验研究了离散缝的端区冷却特性，发现其冷却规律与定常计算结果相符，但冷却有效性分布要低于计算结果。离散缝和平板二维缝的冷却特性对比选取了离散缝出口冷气射流中心轴线和流线，根据对比结果，并将端区冷却划分为四个区域，分别是:叶片上游区，马蹄涡影响不及之处，端壁气膜冷却分布满足平板冷却规律;在通道内部区，冷气受通道面积收缩和横流影响在通道内部汇聚;在叶片前缘区和压力面角区，分别受通道涡和压力面角涡等二次流的影响，冷气射流受到阻隔，不能有效冷却该区域。
　　(3)揭示离散缝台阶非定常脱落涡与前缘马蹄涡以及叶片势流效应之间的耦合机制。
　　离散缝结构是一种后台阶冷却结构，其下游流动特征具有典型的非定常性。不同于平板二维缝冷却，离散缝还受到下游叶片的影响，因此应用高精度DES非定常计算方法研究这种复杂的非定常耦合机理。研究发现，台阶下游主流侧脱落涡(MSV)是影响端壁气膜冷却的关键因素。主流侧脱落涡顺时针旋转将主流气流带到端壁表面，恶化气膜冷却效果。冷气量的增加有助于增加冷气侧脱落涡(CSV)强度，其伴随着主流侧脱落涡在下游发展过程中逐渐脱离壁面，减少冷气和主流之间的掺混效应。在叶栅环境中，主流侧脱落涡和前缘马蹄涡的旋向相同，在前缘发展过程中两者融合在一起，能够强化马蹄涡，弱化冷气侧脱落涡，造成端壁气膜冷却效果较差。由于叶片势流效应，离散缝出口压力分布不均，台阶脱落涡在不同周向位置表现出不同的流动形态，同样导致离散缝下游冷却不均匀现象的产生。