随着飞行工况的提高以及重复使用需求的进一步明确,主动冷却技术将成为推进系统内部和飞行器外部高热部位主要的热防护措施,考虑到在高马赫数飞行条件下引气气膜冷却与燃料再生冷却存在的冷却不足问题,本文进行了以液态水为冷却工质的复合冷却结构的机理研究,目的在于探索单一液态水工质复合冷却方式的传热特征及性能极限,为新型多工质复合冷却结构的设计提供参考。从冷却工质的热沉利用角度量化分析了气膜冷却应用中的气膜层隔热作用,研究了湍流强度、冷气流温度、入射角、吹风比、狭缝尺寸和壁面发射率等参数对气膜冷却效果的影响。研究表明由于冷却工质向主流的扩散,气膜冷却中工质的热沉利用效率较低。降低湍流强度、狭缝高度、入射角以及壁面发射率或者适当提高冷气流温度都能拓宽工质的等效热沉温度区间,进而提高工质的热沉利用效率。建立了一维简化的包含工质相变的内冷通道换热计算模型,在此基础上分别研究了基于简单切向狭缝气膜和开缝半屏气膜的复合冷却结构的冷却效果,对结构内部的传热特征进行了量化分析,并进一步研究了部分参数的影响。研究结果表明内冷通道中的工质流动沸腾过程是引起壁面温度分布不均以及出现局部高温度梯度的主要原因;通过在气膜侧引入开缝半屏结构不仅能够提高工质的等效热沉利用水平,还能改善热量在结构内的分配状况,有效地调控壁面温度均匀性。对腔内相变的发散冷却过程进行了简化建模,分析了给定热载荷条件下系统内部的温度及热流分布状态,并对部分参数的影响进行了讨论。研究结果表明该复合冷却方式下气态工质发散冷却过程中的换热约占总换热量的1 0%～20%,腔内换热强度越低、渗透性壁面越厚、基体材料热导率越小,系统热端温度越高。此外,提出了采用水凝胶替代液态水进行腔内相变的思路并进行了探索性的实验研究,发现在有限工质填充下的瞬态加热过程中水凝胶具有优于液态水的持续冷却作用。提出了计及外场辐射效应的发散冷却数值求解方法,拓宽了发散冷却应用的研究范围,并对高温燃气主流条件下不同发散冷却系统内的流动传热特征进行了研究,分析了壁面发射率、冷端换热强度、冷却工质用量等参数对系统冷却效果的影响。研究结果表明,受分布式出流及沿流向的工质堆积效应影响,发散冷却中工质的辐射吸收效应在发散面下游区域更为显著;小工质用量下,冷却工质的热沉在发散段的利用值可达总热沉利用量的90%以上,相应形成的延伸气膜作用微弱;通过在发散面上游设置狭缝气膜结构可以有效降低发散面前缘处的温度及热流水平,改善发散面上的温度均匀性。