为了满足先进航空发动机日益增长的性能需求，提高涡轮进口温度一直是其发展的主要驱动力。对于推重比为12-15的发动机，预计涡轮进口温度将超过2100K [1]。这些温度远高于用于涡轮叶片的超合金的熔点，因此必须依赖高效的热防护技术来确保热端组件的结构完整性和运行可靠性 [2]。尽管在高温材料和热障涂层（TBCs）方面取得了显著进展 [3]，但材料耐热性的提高速度（约每年8°C）落后于涡轮进口温度的提高速度（约每年20°C）[4]。这种差异使得先进的冷却技术，特别是薄膜冷却技术变得不可或缺。薄膜冷却技术通过将较冷的 bleed空气通过离散孔洞喷射出来，在组件表面形成一层保护性绝缘层，已成为最常见的有效涡轮冷却方法之一 [5,6]。
为了克服简单圆柱形孔的局限性——在高吹气比下冷却剂喷射容易发生脱离 [7]，研究方向转向了更复杂的几何结构改进 [7,8]。这些策略大致可以分为两类：一类是改变孔内的流动，另一类是直接在孔出口处改变喷射流与主流气流的相互作用。第一类方法通过修改内部几何形状来预处理冷却剂流动，这已被证明具有巨大的性能提升潜力。例如，对内部特征的研究表明，在孔入口处设置倒角可以有效减少孔内流动分离并提高冷却效果 [[9], [10], [11]]。最近的创新继续这一趋势，例如加入关键孔槽 [12] 或入口凹槽 [13] 以进一步优化入口流动条件。更复杂的添加物，如内部导流肋，已被证明可以将横向平均冷却效果提高多达43% [14]。一个特别先进的概念是利用弯曲的入口通道在冷却通道内部生成Dean涡流。这些涡流的旋转方向与肾脏涡流相反，使它们能够直接剪切并削弱出口下游的有害涡流对，从而显著提高冷却效果，最多可提高100% [15,16]。第二类方法侧重于改变孔出口处的几何形状以操控喷射过程，包括使用沟槽和类似陨石坑的形状 [17,18]。这类先进冷却孔的设计空间不断扩展，正在研究多锥形 [19] 和回力镖形孔 [20] 等新概念，以进一步操控冷却剂喷射轨迹和覆盖范围。Kalghatgi和Archarya [21] 研究的V形沟槽就是一个例子，其原理是在表面层生成一对新的涡流，以主动抵消喷射产生的主要肾脏涡流对。通过削弱这些涡流，冷却剂喷射被迫更靠近壁面，减少与高温主流气体的混合，从而提高表面防护效果。虽然这些特征的总体热效应可能很复杂，尤其是在与热障涂层结合使用时，但这些出口修改始终显示出增强冷却剂薄膜附着在壁面上的能力 [17]。然而，这些复杂内部和外部几何形状的实际实现往往超出了传统制造工艺的能力。
增材制造（AM）技术，特别是激光粉末床熔融（LPBF），为涡轮冷却提供了范式转变，提供了实现传统方法无法实现的高度复杂冷却结构的设计自由度。然而，这种变革潜力伴随着固有的挑战，最显著的是引入了与预期设计的大幅度几何偏差。主要问题是表面粗糙度 [22,23]，它源于逐层过程中的复杂物理现象，包括部分熔化的粉末颗粒的粘附、熔池不稳定以及倾斜或弯曲表面的特征性“阶梯效应” [24,25]。这种粗糙度的形态对许多工艺参数非常敏感，如激光功率、扫描速度和构建方向 [25]。对于薄膜冷却孔的小而复杂的内部通道，由于难以进行有效的后处理，这种实构粗糙度成为影响内部流动和传热特性的主导且不可避免的因素 [[26], [27], [28], [29], [30]]。这些表面特性对热性能和空气动力损失的影响，以及各种表面增强后处理技术的复杂效应，仍然是活跃且关键的研究领域 [31]。
这种由AM引起的粗糙度与传统机械加工表面的微尺度粗糙度根本不同。它是大尺度的，可能导致截面流动阻塞超过10% [28]，并且高度不均匀和各向异性。这些特征对性能的深远影响已经得到明确证明。例如，Snyder发现冷却效果对这种粗糙度非常敏感，最光滑的AM孔的性能比最粗糙的孔高出近30% [26]。同时，Stimpson等人 [27] 定量分析了排放系数的显著下降，从最光滑孔的约0.7降至最粗糙孔的0.3，从而导致整体冷却效果的相应恶化。此外，这种影响不仅有害，而且具有方向性；Shi [32] 的研究表明，构建方向决定了孔内最严重粗糙度的位置，进而极大地改变了下游的薄膜覆盖模式。虽然主要影响是负面的，但其背后的物理机制可能很复杂，因为一些研究表明高粗糙度可以通过延迟分离来改变孔内流动动态 [33]。这些研究无可争议地表明，传统的建模方法依赖于均匀的等效砂粒粗糙度，不适合准确预测这些组件的行为，因为它们无法捕捉表面地形的大尺度、确定性和各向异性 [29,30]。这突显了文献中的一个关键空白：需要一种能够捕捉真实的实构3D几何形状并将其特定特征直接与气热性能联系起来的方法。鉴于组件寿命对热性能的高敏感性（仅25K的金属温度偏差就可能导致涡轮叶片使用寿命减半 [2]，因此准确评估和理解这些由AM引起的不确定性至关重要。
为了填补这一空白，本文对LPBF制造的圆柱形薄膜冷却孔的实构几何形状进行了全面研究。我们特意选择了这种简单的基本几何形状，以便隔离和识别在更复杂设计中可能被掩盖的工艺诱导特征。在更复杂的几何形状中，如扇形孔中，这些工艺诱导的气热效应会与预期的设计物理（例如流动扩散）交织在一起，使得基础机制难以分离。与传统的关注随机表面粗糙度的研究视角不同，这项工作揭示了LPBF工艺诱导的确定性宏观几何特征——即C形弧线——是驱动薄膜冷却性能波动的核心因素。将建模重点从随机统计指标转移到这种可预测的几何偏差上，可以为增材制造的组件提供更准确的性能预测。
本文的主要目标和贡献是：i) 使用LPBF制造薄膜冷却测试样品，并使用扫描电子显微镜（SEM）和高精度X射线计算机断层扫描（CT）表征实构孔的真实3D形态；ii) 基于CT数据进行逆向建模，以识别和定量分析系统性的几何偏差，包括不均匀的粗糙度和孔出口处的关键重复形状特征；iii) 使用计算流体动力学（CFD）模拟在真实几何模型上直接评估这些综合几何偏差对薄膜冷却效果的影响；iv) 采用不确定性量化（UQ）框架，从复杂的粗糙度背景中分离出识别的关键几何特征，从而阐明其对冷却性能的流体动力学影响机制。这项工作旨在加深对AM薄膜冷却孔内复杂流动和传热现象的理解，并为基于AM技术的高性能冷却结构的发展和应用提供坚实的理论基础和分析工具。
