随着先进航空发动机涡轮前温度不断提高，涡轮叶片面临高温、高转速等极端工况，对有限空间内的高效冷却提出了更高要求。旋转内冷通道作为涡轮叶片热防护的重要组成部分，其内部流动受到科氏力、浮升力及壁面约束等多重因素的耦合作用，呈现复杂的湍流结构及非均匀流动换热特征（图1）。如何认识极端工况下旋转内冷通道中的复杂湍流行为及流热输运规律，是发展高效冷却技术亟待解决的基础科学问题。为此，研究所先进燃气轮机实验室团队聚焦强旋转、大温差下的冷却界面换热机理开展了系列研究。

研究团队基于二维涡量-流函数方程的定常解分岔分析，发现在旋转通道中存在多解并存与解分支跃迁现象，并据此确定了关键旋转数范围与过渡窗口。基于团队自主开发的旋转换热DNS求解平台，发现随着旋转数增大，通道内二次流呈现从角涡、经附加涡、到科氏力大环流的演化路径。二次流强度分析表明，高二次流动能区域均聚集在侧壁面附近，证实了旋转通道内二次流主要由Ekman层抽吸效应所驱动。在此基础上，通过收支分析发现，系统旋转一方面通过科氏力项直接参与湍流热通量的输运平衡；另一方面，旋转诱导二次流通过重构平均温度与雷诺应力分布，间接调制湍流热通量各收支项的强度及空间分布，进而改变通道内热通量的分布特征。在大温差条件下，二次流的作用会在局部形成较高的平均温度梯度，从而强化湍流热通量和温度方差的产生，并导致温度统计量出现局部峰值。对湍流结构的分析进一步表明，相较于速度场，温度场既包含更大尺度的结构，也呈现更精细的局部特征（图2）。基于机理方面的认识，研究团队进一步总结凝练了旋转通道中平均速度、平均温度及湍流普朗特数等关键物理量的标度规律。研究成果支撑了实验室燃气轮机涡轮转子叶片的冷却设计，提升了冷却效率。

相关成果已发表在Journal of Turbulence 27(2026)、International Journal of Heat and Mass Transfer 271(2026)、International Journal of Heat and Fluid Flow 121(2026)期刊上。本研究工作得到了国家自然科学基金卓越研究群体项目（No.52488101）的资助。

图1：涡轮叶片内冷通道

图2：不同旋转数下通道近壁条带结构演化