近年來為因應許多工程上的需要，機械元件所需承受的熱負載不斷增加，為 解決此一現象所衍生的元件損害與故障，熱機構熱傳散熱與絕熱效應的提昇一直 是重要的研究課題。
而在動力機械中，渦輪機便佔了一個相當多的份量，而其運用範圍從國防用 的坦克、噴射機，民生用的發電或工業用的汽電共生，都需要渦輪機提供動力。
所以渦輪機技術的成熟與否，無論在軍事或民生的工業與機械上，都有著相當的 影響力，因而發展具有更高性能、更高輸出功率的燃氣渦輪機，不僅能提升機器 的效能，在能源越來越昂貴的時代，更可以省下大筆的燃料費。燃氣渦輪機主要 作功過如圖 1-1 所示[1]，空氣由進氣道段整流進入，經擴散器減速增壓，再藉 由壓縮機段將空氣壓縮至所設計之壓縮比，再進入燃燒室與霧化後的燃氣混合燃 燒，使加壓混合氣體獲得燃燒所得的化學能，再供與渦輪作為轉換的能量。渦輪 機段之主要功能即藉由渦輪定子導片將燃燒後之氣體以最佳角度導入並吹擊下 游的轉子，經由渦輪轉子轉動作功，將燃燒所產生的化學能轉變為可利用的機械 能，渦輪轉子之轉動一方面以特定方向旋轉帶動前端壓縮機葉片組，提供前端壓 縮空氣所需的能量，也確保持續進行進氣、壓縮、燃燒及轉動之渦輪機完成循環 週期；另一方面則是由渦輪葉片特定幾何購型之設計形成相鄰葉片組漸縮或是漸 擴通道以加速工作流體之運動，再流經噴嘴段噴出達到提供推力的功能，最後將 氣體藉由排氣噴嘴高速吹出以產生推力。
傳統噴射引擎(jet engine)約有百分之七十五的產生能量，是藉由渦輪驅動 壓縮機以提高壓縮比，其餘的才用來產生足夠的衝力(thrust)。提高燃燒室的溫 度固然可以增大壓縮比，但卻受到渦輪葉片材料性質所限制。現今先進渦輪引擎 之工作溫度約在 1800~2000K，這個溫度以遠高於葉片金屬材料的熔點。是故除 了改變葉片材料的方式之外，如何降低葉片表面溫度以確保葉片之使用壽命，在
渦輪機引擎設計上是一個重要課題。燃氣渦輪引擎的冷卻技術是相當複雜的技
而有下列四個重要的流場特徵:存在葉片前緣(leading edge)的停滯區、受到二 次流引發而在葉片與端牆(endwall)結合處所產生之通道渦流(passage flow)、
存在於葉片翼端(tip)及其外圍輪轂之頂端間隙(tip clearance)間的洩漏流 (leakage flow)所引發之頂端渦流(tip vortex)，與因為葉片尾緣(trailing edge)幾何購型所產生的尾緣渦流(trailing vortex)等。上述區域便是渦輪葉片 在使用薄膜冷卻法上所需注意的區域。而所謂的薄膜冷卻法(film cooling)，便 是在所需要絕熱的物體壁面上游區，在原本主流場與壁面邊界層進入一額外的低
流是由葉片根部流經葉片內部冷卻鰭片後，再由葉片表面的冷卻孔分別流出。圖 達到預期效果的。Simoneau 與 Simon 指出[2]，燃氣渦輪機的整體性能在西元 1950 年代可以顯著地提升，原因在於設計者開始了解薄膜冷卻的重要性並試圖 自由紊流強度為 0.5%與 12%。Han 和 Cox[9]使用煙線法(smoke wire)觀察葉片凹
面有成對的泰勒苟德勒渦流(Taylor–Görler vortices)存在，在尾端有卡門渦 流道(Karman vortex street)和泰勒苟德勒渦流(Taylor–Görler vortices)交 互作用。Gaugler 和 Russell[10]使用氫氣泡(helium bubbles)法觀察主流受到 葉片分割而往兩旁分開的馬蹄形渦流(horseshoe vortex)。Hodson 和 Dominy[11]
利 用 充 氣 試 體 和 表 面 流 場 觀 測 來 研 究 端 牆 對 葉 片 凸 面 的 影 響 。 Crane 和 Sabzvazi[12]使用液晶法(liquid crystal technique)發現凹面流場有泰勒苟德 勒渦流發生。Graham[13]表示尾流場對於下游葉片通道熱傳的影響，至今仍未完 全被了解，需要更多的研究；而在不同雷諾數下，尾流場的流場形勢會不同，
Panton[14]之論文中有詳細的討論; Witting et. al. [15]使用雷射都卜勒技術 來討論尾流場對葉片熱傳的影響; 而 Dullenkopt et. al. [16]則對不同雷諾 何購型與正向壓力較高等因素，其冷卻效率較低。Thole 和 Knost [20]使用實 驗分析位於葉片底部的端牆冷卻孔的對第一級葉片絕熱效率，利用冷卻流與主流 場的泰勒苟德勒渦流交互作用，使用紅外線攝影機來取得端牆與葉片間隙截面流
場溫度，其結果指出，使用如圖 1-6 所示之葉片前方端牆上的狹縫冷卻口，比葉 時，物體與流體交互作用所誘導的流場變化是屬於動態的移動邊界問題(moving boundary problem)，這類問題在工程與工業應用上極為廣泛，但運動機制較為 複雜，解析不易。
在過去，研究上述第二類的問題時，大部分居採用相對速度的觀念，假設物 體靜止不動，流體以某依相對速度流經物體，再以數值方法解析;或者是採用隨 運動中的物體移動而移動的非貫性參考座標(Non-interial reference frame)，
再以數值方法模擬這類問題，以往的薄膜冷卻研究在冷卻物本身也都採用這樣的 分析方式。然而，當物體在流動流體中運動時，會有物體擠壓流體和流體填補物 體移動所產生的空洞(vacant space)之物理現象，以上述固定邊界的數值方法模 擬這類問題時，流場變化機制無法詳實的表現出來。而採用實驗量測時，則因這
模式求解動量與能量方程式。
在渦輪機上的葉片旋轉機制為三維結構的轉動運動，為簡化分析的難度，忽 略翼展方向維度，以二維來分析葉片外型及其流場，將葉片旋轉的切線方向做為 移動分析的方向。而在分析上分為兩部份，第一部份是將渦輪葉片置於自由流 中，計算其於穩態時，有無薄膜冷卻與薄膜冷卻流噴孔位置的熱通量分析。第二 部份是，葉片在高溫流體通過的暫態分析，並使用移動邊界的方式，模擬動態葉 片在運轉達穩定狀態時的情形，與使用固定葉片的薄膜冷卻孔道位置於動態葉片 上做分析，並利用動態分析所得流場，來設計新的薄膜冷卻孔道位置，以求在實 際運轉中動態渦輪葉片的最佳薄膜冷卻效率。
圖 1-1 燃氣渦輪機構造
圖 1-2 燃氣渦輪機葉片與其根部關係圖
圖 1-3 薄膜冷卻原理圖
圖 1-4 葉片內冷卻管道透視圖
圖 1-5 葉片內部冷卻管道剖視圖
圖 1-6 狹縫冷卻道與密集冷卻孔關係圖