燃气轮机是广泛应用于航空推进、燃气发电等诸多国防、民生领域的高效热功转换装备。气膜冷却是燃机透平最有效的冷却技术之一,其在流体力学层面是一个壁面射流问题。温度场的预测是气膜冷却研究中最关心的问题,而其本质上是探讨标量在射流流场中的输运和扩散规律。本文有机结合传热测量实验技术和大涡模拟方法,探讨了圆孔壁面射流的动量和标量输运机制,探究了标量输运模型。 针对气膜冷却来流为湍流边界层的特点,发展了在入口添加时均和脉动双约束的准流向周期性方法,实现了更稳定生成平板壁面湍流的功能。针对含孔几何结构三维特征强的特点,发展了以曲面拓扑块为基础的多块结构网格生成方法,较好地保证了计算时间和计算效率的平衡。在此基础上,配合湍流解析的网格需求验证和涡识别技术,搭建了精细化气膜冷却射流大涡模拟平台les Film Jet。 针对壁面圆孔斜射流的流动传热场,采用上述发展的精细化气膜冷却射流大涡模拟平台和实验测量技术,探讨了其动量和标量输运机理。研究结果表明,射流涡系可归类为孔内涡、K-H剪切涡、马蹄涡、对转涡这四大涡系统。分析了标通量随速度比的变化趋势,指出了内卷的K-H剪切涡在流向对标量有逆梯度的湍流输运作用,是射流下游标量充分扩散的原因,具有与对转涡的时均输运同样重要的地位。本文还揭示了剪切运动是标量湍流输运的主要动因,存在沿着和垂直于标量梯度的两种输运模式。进一步还探讨了来流边界层状态对圆孔斜射流涡系和标量场的影响,分析了射流诱发的层流边界层转捩过程,指出了湍流边界层厚度的增大影响到射流的分离特性和扩散特性,从而导致壁面有效度的降低和展向扩散的增强。 针对变方向壁面圆孔射流的流动传热场,采用同样的方法,分析了其内的输运特征,揭示了其在孔后分离区与主流剧烈掺混从而强化冷气覆盖均匀性的机制。针对有沟槽时的射流输运特性,揭示了其通过下槽壁对冷气的阻隔和侧向分配来提升冷效的机制,探讨了沟槽对迎风射流和顺风射流不同的冷效提升机理。 针对气膜冷却射流的标通量模型,基于时均后的大涡模拟流动传热场,探讨了其对于标量预测的影响。研究结果表明,梯度扩散模型中由于没有垂直于梯度的输运模式,从而导致了雷诺时均模拟在射流下游对标量扩散的预测不足,指出了高阶扩散模型通过引入流向逆梯度输运分量从而提升标量场预测效果的机制,为气膜冷却标量输运模型的精度提升打下了扎实的基础。