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火箭基组合循环(RocketBased Combined Cycle, RBCC)发动机有机融合了火箭发动机的高推重比和双模态吸气式冲压发动机高比冲的优势，可以实现宽速域、大空域条件下的高效工作，是未来可重复使用临近空间飞行器和航天运载器的理想动力。但是RBCC发动机面临着比火箭发动机和超燃冲压发动机更加严苛的热防护要求，其工作模态多、包线宽、发动机壁面热流严酷，并且壁面热环境随着时间和空间呈现强烈的非稳态特性。因此，RBCC发动机再生冷却热防护不是单一的部件级技术，而是包含了超临界冷却剂流动与换热、流/固耦合传热、碳氢燃料高温吸热裂解反应及宽工作边界下的多系统优化的多学科问题。因此，迫切需要深入开展基于超临界吸热碳氢燃料的RBCC发动机再生冷却中的流动和换热机理研究，有力支撑组合发动机热防护关键技术的发展。
本文基于临近空间高超飞行器Ma5~6长时间巡航型任务背景，采用一维分析与三维数值模拟手段相结合的研究方法，分析比较了宽域工作的RBCC发动机热环境与其他推进形式的异同点，获得了RBCC发动机热负荷特点，开展了适用于RBCC发动机的超临界碳氢燃料的流动与换热特性研究，揭示了超临界碳氢燃料在动态热负荷下的非均匀流量分配机理，并基于复杂热负荷条件下的通道内流动特点，创新地提出了具有自适应特性的并联通道流量分配优化方法，最终完成了宽域变结构RBCC燃烧室再生冷却方案设计，为后续开展RBCC热防护长时间热考核试验奠定了基础。论文的主要内容和结论如下：
(1)获得了热力喉道和几何喉道两种流道方案的RBCC发动机多模态热环境特点。通过恒壁温三维数值模拟过程，比较了0.04m2捕获面积下的热力喉道RBCC流道方案与几何喉道流道方案的冲压流道、火焰稳定装置不同位置和不同工作马赫数下的热环境特点，分析了壁面温度对不同流道方案的RBCC发动机壁面热负荷的影响，从流道方案和燃烧组织角度为今后针对不同任务需求的RBCC方案初期设计提供依据，提高方案构建时整体性能-热防护一体化闭环程度。
(2)建立了考虑流固耦合传热、超临界冷却剂物性变化及高温吸热裂解反应的碳氢燃料RBCC发动机再生冷却系统的一维与三维计算模型。采用真实气体状态方程计算超临界冷却剂的热物性参数，三步17组分简化反应机理模拟高温吸热裂解反应，并结合流固耦合传热过程建立了再生冷却一维分析模型，并基于该一维模型建立了再生冷却通道的初步设计方法。同时，建立了模拟再生冷却超临界碳氢燃料流动、换热与裂解吸热反应过程的单通道和多通道三维数值模型。通过电加热管实验数据校验，模型计算所得的冷却剂裂解率和温度与实验数据吻合良好，证实本文所建立的模型具有较好的准确性，能够为后续开展发动机再生冷却工作过程和机理分析提供研究方法。
(3)针对凹腔火焰稳定装置的弯曲再生冷却通道开展了不同冷却剂入口温度、壁面热流及裂解反应下的弯曲通道内流动与换热特性数值模拟研究，揭示了冷却剂入口温度、壁面热流及裂解反应对弯曲冷却通道内的二次流特征、壁面温度分布等的影响机理。通过对单侧加热的90°弯曲冷却通道内碳氢燃料再生冷却过程的三维数值模拟发现，裂解反应有利于增强弯曲通道内的漩涡强度，横向壁面温差减小6.5%；同时，随着冷却剂入口温度升高，加热壁面的横向最大温差减小，最大裂解速率对应的入口温度下的横向最大温差为临界温度入口条件下的40%；另外，纯单侧加热的流固非耦合传热状态下，热流增大能提高转角内的涡量，但对于流固耦合传热条件下的固壁单侧加热状态，由于固体导热能有效减缓流体区域的纯单侧加热条件，加热热流增大对弯曲通道内的涡量分布影响较小。
(4)通过不同热负荷下的并联多通道数值模拟，发现了超临界碳氢燃料在非均匀热流条件下的显著流量分配不均匀现象，由于超临界冷却剂热物性和组分随温度和压力的急剧变化，为了匹配换热单元的进出口压力，高热流通道内的冷却剂流量减小，对燃烧室再生冷却方案产生严重的不利影响，且低冷却剂流量对应高热流边界的不良冷却剂分配结果对壁面热流条件部分敏感。基于以上流动换热特征，本文提出了一种能够适应复杂热环境下并联多通道内流动特性的自适应流量分配改善方法。该方法利用相邻冷却通道内超临界碳氢燃料的流动参数差异，在自适应微孔内形成一股射流，同时在自适应微孔后建立“虚拟节流”，压缩低热流高流量管内的流通面积，以减小低热流管内的冷却剂流量，提高相邻管的流量分配均匀度，并研究了自适应微孔个数、位置、热流对流量改善效果的影响，验证了该自适应改善方法对强热流差异下的冷却剂流量分配不均匀性的改善效果显著。
(5)建立了基于一维分析方法的轴向冷却剂控制策略。基于热力喉道和几何喉道两种流道布置方案的热环境时间域与空间域特点，开展了不同流道方案的轴向冷却剂流路设计研究，通过调整不同工作模态下的冷却剂流路布置方式，提高了发动机壁面总体温度均匀度。
(6)基于RBCC变结构燃烧室热环境特点及管内流道换热规律的研究成果，针对小尺度0.04m2捕获面积的变结构流道方案开展燃烧室再生冷却方案迭代设计，并通过数值模拟方法验证了该开环主动热防护方案的有效性，能够满足长时间热考核试验要求。
本文基于临近空间高超飞行器Ma5~6长时间巡航型任务背景，采用一维分析与三维数值模拟手段相结合的研究方法，分析比较了宽域工作的RBCC发动机热环境与其他推进形式的异同点，获得了RBCC发动机热负荷特点，开展了适用于RBCC发动机的超临界碳氢燃料的流动与换热特性研究，揭示了超临界碳氢燃料在动态热负荷下的非均匀流量分配机理，并基于复杂热负荷条件下的通道内流动特点，创新地提出了具有自适应特性的并联通道流量分配优化方法，最终完成了宽域变结构RBCC燃烧室再生冷却方案设计，为后续开展RBCC热防护长时间热考核试验奠定了基础。论文的主要内容和结论如下：
(1)获得了热力喉道和几何喉道两种流道方案的RBCC发动机多模态热环境特点。通过恒壁温三维数值模拟过程，比较了0.04m2捕获面积下的热力喉道RBCC流道方案与几何喉道流道方案的冲压流道、火焰稳定装置不同位置和不同工作马赫数下的热环境特点，分析了壁面温度对不同流道方案的RBCC发动机壁面热负荷的影响，从流道方案和燃烧组织角度为今后针对不同任务需求的RBCC方案初期设计提供依据，提高方案构建时整体性能-热防护一体化闭环程度。
(2)建立了考虑流固耦合传热、超临界冷却剂物性变化及高温吸热裂解反应的碳氢燃料RBCC发动机再生冷却系统的一维与三维计算模型。采用真实气体状态方程计算超临界冷却剂的热物性参数，三步17组分简化反应机理模拟高温吸热裂解反应，并结合流固耦合传热过程建立了再生冷却一维分析模型，并基于该一维模型建立了再生冷却通道的初步设计方法。同时，建立了模拟再生冷却超临界碳氢燃料流动、换热与裂解吸热反应过程的单通道和多通道三维数值模型。通过电加热管实验数据校验，模型计算所得的冷却剂裂解率和温度与实验数据吻合良好，证实本文所建立的模型具有较好的准确性，能够为后续开展发动机再生冷却工作过程和机理分析提供研究方法。
(3)针对凹腔火焰稳定装置的弯曲再生冷却通道开展了不同冷却剂入口温度、壁面热流及裂解反应下的弯曲通道内流动与换热特性数值模拟研究，揭示了冷却剂入口温度、壁面热流及裂解反应对弯曲冷却通道内的二次流特征、壁面温度分布等的影响机理。通过对单侧加热的90°弯曲冷却通道内碳氢燃料再生冷却过程的三维数值模拟发现，裂解反应有利于增强弯曲通道内的漩涡强度，横向壁面温差减小6.5%；同时，随着冷却剂入口温度升高，加热壁面的横向最大温差减小，最大裂解速率对应的入口温度下的横向最大温差为临界温度入口条件下的40%；另外，纯单侧加热的流固非耦合传热状态下，热流增大能提高转角内的涡量，但对于流固耦合传热条件下的固壁单侧加热状态，由于固体导热能有效减缓流体区域的纯单侧加热条件，加热热流增大对弯曲通道内的涡量分布影响较小。
(4)通过不同热负荷下的并联多通道数值模拟，发现了超临界碳氢燃料在非均匀热流条件下的显著流量分配不均匀现象，由于超临界冷却剂热物性和组分随温度和压力的急剧变化，为了匹配换热单元的进出口压力，高热流通道内的冷却剂流量减小，对燃烧室再生冷却方案产生严重的不利影响，且低冷却剂流量对应高热流边界的不良冷却剂分配结果对壁面热流条件部分敏感。基于以上流动换热特征，本文提出了一种能够适应复杂热环境下并联多通道内流动特性的自适应流量分配改善方法。该方法利用相邻冷却通道内超临界碳氢燃料的流动参数差异，在自适应微孔内形成一股射流，同时在自适应微孔后建立“虚拟节流”，压缩低热流高流量管内的流通面积，以减小低热流管内的冷却剂流量，提高相邻管的流量分配均匀度，并研究了自适应微孔个数、位置、热流对流量改善效果的影响，验证了该自适应改善方法对强热流差异下的冷却剂流量分配不均匀性的改善效果显著。
(5)建立了基于一维分析方法的轴向冷却剂控制策略。基于热力喉道和几何喉道两种流道布置方案的热环境时间域与空间域特点，开展了不同流道方案的轴向冷却剂流路设计研究，通过调整不同工作模态下的冷却剂流路布置方式，提高了发动机壁面总体温度均匀度。
(6)基于RBCC变结构燃烧室热环境特点及管内流道换热规律的研究成果，针对小尺度0.04m2捕获面积的变结构流道方案开展燃烧室再生冷却方案迭代设计，并通过数值模拟方法验证了该开环主动热防护方案的有效性，能够满足长时间热考核试验要求。