尾缘是涡轮叶片上需要冷却的关键部位之一,半劈缝冷却结构由于其良好的冷却与气动综合性能而被广泛应用于涡轮叶片尾缘上。但尾缘冷却结构并不同于常规的气膜冷却结构,它的两侧(压力面和吸力面)均受到热流的影响,半劈缝出口的射流贴附在半劈缝表面,从而有效地隔绝了热流对压力面的冲刷,而对于吸力面来说半劈缝射流仅相当于是内部冷却。以往的大多数研究主要集中于如何提升半劈缝表面的冷却效率与换热面积,但是由于半劈缝气膜冷却属于切向缝型气膜冷却,气膜的贴壁性非常好,冷却效率已经接近于理论上的极限,提升空间非常有限。因此本文根据对尾缘半劈缝结构的传热过程分析,突破单纯增强半劈缝表面气膜冷却效率的传统做法,提出了通过增强半劈缝表面对流换热系数来提升尾缘综合冷却效果的新思路,并基于这个思路提出了一种在半劈缝表面布置有扰流强化换热结构的扰流半劈缝新概念。本文以某型航空发动机高压涡轮导叶的尾缘半劈缝结构为依托模型展开相关的数值模拟研究。在吹风比为0.5、1.0和1.5工况下,模拟了半劈缝表面的气膜冷却效率和对流换热系数的分布情况,详细研究了直肋型扰流半劈缝结构和V肋型扰流半劈缝结构的气膜冷却特性,分析对比了不同肋结构参数在不同吹风比工况下的表面气膜冷却效率与换热系数的数值及空间分布特性。对于直肋型扰流半劈缝结构,本文研究了直肋的肋高、肋宽、肋间距结构参数和吹风比对气膜冷却特性的影响。主要得出以下结论:随着吹风比的增大,直肋扰流半劈缝结构的冷却效率逐渐增大,而扰流半劈缝结构与光滑半劈缝结构的换热强度比值均逐渐下降。肋高h的增大会导致肋下游冷却效率降低,随着吹风比的增大,较小肋高结构对换热强度提升较为明显,而在大吹风比工况下较大肋高结构的换热强度明显低于较小肋高结构。在肋高h=1.0mm情况下,肋宽度对于冷却效率几乎没有影响,随着肋宽的增加,半劈缝表面下游整体的换热强度有所提高,且不同结构之间的换热强度差距随着吹风比增大而增加。在肋高h=1.0mm、肋宽s=2.0mm情况下,肋间距对半劈缝表面的冷却效率和换热强度影响均不大。对于V肋型扰流半劈缝结构,本文除了研究直肋类似结构参数和吹风比对气膜冷却特性的影响外,还针对V肋的特征研究了肋角度以及开口朝向的影响。主要得出以下结论:随着吹风比的增大,V肋扰流半劈缝结构的冷却效率逐渐增大,大多数V肋扰流半劈缝结构与光滑半劈缝结构的换热强度比值均呈现先上升后下降的规律,高换热区域主要集中在肋后区域,且呈现“心”型分布。较小肋高情况下,V肋角度对冷却效率影响较小,而对半劈缝表面的换热强度影响较大,在本文所研究的三种肋角度中,γ=45°结构的换热强度最高。半劈缝表面换热强度受开口朝向的影响较大,Λ肋结构在肋间夹角处出现较低的换热系数区,中心线附近的换热系数也相对较低,高换热区主要分布展向两侧,且范围明显小于V肋型结构,同一肋角度的V肋型结构的换热系数均高于Λ肋型结构。肋高h的增大会导致肋下游冷却效率显著下降,在各个吹风比下,半劈缝下游换热强度随着肋高增加而显著增加。随着吹风比增加,不同肋高结构的换热强度变化规律并不一致。在肋高h=1.0mm情况下,V型肋的宽度对于冷却效率几乎没有影响,不同肋宽度对于肋间区域的换热强度有一定影响,随着肋宽度增加,肋间的换热强度有所下降,且不同结构之间的换热强度差距在不同吹风比下差距变化不大。这主要是由于较小肋宽的肋间距离较大,肋后对涡发展较为充分,因而对壁面的扰动更加强烈。在肋高h=1.0mm、肋宽s=2.0mm结构参数下,在同一吹风比工况下,随着肋间距的增加,半劈缝下游冷却效率逐渐升高,差距随着吹风比增加而逐渐减小。肋间距减小,V肋的数量有所增加,肋后高换热区域数量也有所增加,从而导致半劈缝表面的整体换热系数较高。本文还根据直肋型扰流半劈缝结构的冷却特性对其结构进行了优化,分别研究了肋高递减型结构、间断直肋结构、带肋供气通道结构下的冷却特性,并与直肋型扰流半劈缝结构进行对比。主要得出以下结论:肋高递减型结构仅在小吹风比工况下略微减小下游冷却效率,同时在下游区域获得了较高的换热强度。相比于直肋型扰流半劈缝结构,间断型扰流半劈缝结构在小吹风比工况下对冷却效率有较好的提升,其中交错型结构的冷却效率较高。随着后移段间断肋长度的增大,肋端后部的高换热区的换热系数逐渐增强,且范围扩大。从数值上比较,间断型结构的努塞尔数比随吹风比的增大而减小的趋势较小,在大吹风比工况下,L=1/2交错型结构的换热系数明显高于直肋型结构。带肋供气结构会降低半劈缝表面的冷却效率,随着吹风比的增大,带肋结构与传统直肋型结构的冷却效率差距逐渐减小。相比于传统直肋型结构,带肋供气结构能够在整体上提高换热强度,且努塞尔数比均在1.3以上。