近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所全省难加工材料激光极端制造重点实验室在燃气轮机与航空发动机涡轮叶片气膜冷却研究方面取得进展。研究团队采用实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了楔形收敛通道内“猫耳”异形气膜冷却孔的冷却效率，阐明了其在加速主流环境下的强化冷却机理。相关成果以“Film cooling performance of shaped holes in wedge-shaped channels”为题，发表于流体力学期刊《Physics of Fluids》（Phys. Fluids 38, 102007 (2026); DOI: 10.1063/5.0354071）。

面向更高效率与更大推重比的发展需求，现代航空发动机涡轮前温度持续攀升，已逼近乃至超出高温材料的承温极限。气膜冷却通过在叶片表面开设小孔喷射冷却介质，与主流相互作用后在被冷却壁面形成保护性气膜，是保障热端部件安全可靠运行的关键热防护技术。近年来，异形气膜冷却孔因能够抑制肾形涡、提升气膜展向覆盖均匀性而成为研究热点。然而，猫耳形出口异形孔与收敛楔形通道内加速主流之间的相互作用机理尚不明确：异形出口如何改变冷气射流穿透、涡对诱导的热燃气卷吸、展向冷气动量再分配以及近壁气膜贴附等行为，仍需深入研究。

针对上述问题，研究团队通过实验和数值模拟系统对比了猫耳形异形孔与传统圆柱孔在不同压比和温比条件下的展向平均绝热冷却效率。实验结果表明：随压比增大，试验段壁面温度降低，绝热冷却效率升高，并在压比1.4时达到最大；温比增大虽使壁温略有下降，但其对冷却效率的影响有限，且依赖孔型结构。在测试工况范围内，异形孔的冷却效率优于圆柱孔：基于平均冷却效率，异形孔相对圆柱孔的最大相对提升达73.64%；不同温比工况下的最大提升达64.86%。研究还进一步揭示了加速主流环境下异形孔的强化冷却机理：猫耳形出口结构促进冷气动量的展向再分配，抑制射流过度穿透与反向旋转涡对对热燃气的卷吸，增强近壁气膜贴附与展向铺展，从而在收敛通道加速主流中形成更均匀、更贴壁的冷却气膜，实现冷却效率的全面提升。

论文第一作者为宁波材料所在读研究生杨自豪，通讯作者为郭春海高级工程师。

典型工况下两种气膜冷却孔的温度分布云图