涡轮叶片前缘受到高温燃气的直接冲击,处于极其恶劣的热环境当中。为了确保涡轮叶片在高温的工况下正常运行,高效的冷却方法至关重要。在几十年的研究探索中,冷却技术日益完善。由于射流冲击可以产生极高的传热传质速率,被广泛的应用到叶片前缘内部冷却中。本文以叶片前缘为研究对象,简化抽取出受限凹腔内表面冲击冷却的物理模型,采用数值模拟的方法分析了射流孔四种排布方式下射流冲击的流动与换热机理,并重点研究了射流孔偏置排布、交错偏置排布、切向排布方式下,各种流动与结构参数对流动与换热的影响。研究结果表明:当射流孔偏置排布时,减小了射流与靶板的冲击角度,造成了驻点区对流换热能力的降低,但是同时减弱了壁面射流速度的衰减速度;小的射流孔径造成射流速度的增大,增强了对靶面的对流换热,但是会造成更大的流动损失;射流角度造成了冲击间距的变化,对靶面对流换热能力的影响较为复杂。当射流孔交错偏置排布时,射流间强烈的相干作用对换热产生了复杂的影响。偏置间距比不仅影响驻点区的换热,也影响下游壁面射流的对流换热,这与冲击角度的变化与角涡位置的偏移有着密不可分的关联;小的孔径增强了壁面射流的流动,强化了下游区域的对流换热能力;出流孔与射流孔轴向间距对出流孔出流的溢流效应产生显著的影响。当射流孔切向排布时,射流孔为矩形孔时,大的长宽比增强了流体的贴壁性与轴向扩张,增强了射流孔之间区域的换热,从而提升靶板整体的换热能力;射流孔径影响了射流速度与射流的轴向扩张,对上游与下游换热的影响差异较大;出流孔与射流孔轴向间距对出流孔之间区域的换热影响较大,从而影响整个靶面的对流换热能力;射流雷诺数是影响换热的主要因素,随着射流雷诺数的增加,冲击靶面的总体对流换热得到有效的提高。本文还在数值模拟的基础上,对受限凹腔内表面冲击换热进行了实验研究。针对本文所研究的四种孔排布方式,展开射流冲击换热的实验测试。研究结果表明:实验结果与数值模拟结果基本吻合。