面对高速飞行器越来越高的飞行要求以及飞行速度的可控可调,对发动机热防护的可靠性以及高效性提出了更高的要求,不仅要满足高效热防护需求还要满足动态换热以及节能高效的需求。面对极其复杂的动态极端热力环境,现有传统换热方式制约了冷却通道的传热效率的提高,限制了发动机效率的提升。本文以发动机热防护为背景,研究了单面受热情况下,矩形对流换热通道的内表面结构与通道构型对流动状态以及强化传热效果的影响机理,分析了流动控制下的强化传热效率以及冷却能力。通过数值计算较好的揭示了流动控制涡旋强化传热的规律,研究分析了动态涡旋的形成与产生机理,以及其对流动和传热特性的影响。从简单单一的固定式涡流发生器到复合强化传热手段,从被动流动控制传热技术到主动流动控制技术,通过动态调节控制实现综合换热效能的提高,减弱并解决单面受热通道传热过程中的截面热分层问题。具体的主要内容如下:（1）基于液体燃料发动机推力室壁的冷却模型,以及高温高压的冷却环境,对冷却模型及传热过程进行了数值仿真。建立了三维再生冷却结构模型,采用壁面湍流结构改进了传统光滑再生冷却通道,通过单一固定式流动控制结构（包括肋片,球面等内壁面粗糙结构）实现湍流强化传热,通过理论和数值仿真对固定式涡流发生器下的湍流强化传热效率以及冷却性能进行了分析。同时考虑可能引起的流动压降下降,对肋片,球面等涡流发生器进行了参数化研究,设计不同结构与布置,对再生冷却通道的强化传热的综合换热性能进行评估与分析,为该湍流强化传热结构的实际应用提供了理论与数值支撑。（2）针对单一固定式涡流发生器在显著增强对流换热能力的同时并不能很好的解决温度截面分布不均匀问题,建立了球面翅片复合流动控制结构,实现了截面分布与换热能力间的综合换热效能的综合设计。通过不同球面复合结构换热数值计算,研究表明新的复合结构减弱了截面热分层现象,减弱了不均匀分布对于流动传热效果的负面影响。通过详细的参数化研究,以及对各种结构下的不均匀分布特性的分析,为减弱热分层问题提供技术参考。（3）考虑到动态极端热流密度下的冷却及热防护需求,结合动态控制技术,提出了动态控制边界层扰动的强化传热方式。从理论和数值计算角度,从二维到三维,采用CFD动网格技术对边界振动强化对流换热机理进行了细致分析与探讨,研究了不同振动频率与振幅对于流动传热的影响。基于场协同原理分析了强化传热机理,研究分析了振动边界控制下的湍流强化传热效果,并结合湍流度与协同角的分布,研究了动态控制边界下的流动与传热效果。通过主动控制实现了传热的流动诱导振动强化,并通过数值计算验证了方法的有效性,对振动边界模型的特性以及传热有效性进行了详细讨论与研究分析。研究表明动态控制涡旋能够较好地解决局部传热恶化问题,同时满足高效的动态换热需求。（4）针对边界振动涡流发生器易于增大管内的流动阻力,且在一些壁面本身很薄的地方不易实现的局限性,提出了流道内主动振动扰流装置,通过理论与数值分析了二维周期性横向扰动与扩展收缩扰动对流动传热的影响。通过主动控制内插扰流元实现了流动的动态控制与扰动,既实现了流动扰动强化传热又能较好解决局部传热恶化问题。同时主动流动控制技术能够较好地实现高效节能换热,根据流动传热需要及时动态改变振动控制参数,从而实现流动传热的优化,可以较好地解决动态热流密度下高效换热需求与流动阻力之间的矛盾。通过对不同振动参数与扰流位置的研究,为新型动态控制强化传热以及热防护技术的发展提供技术参考,为一些高速飞行器发动机极端动态热力环境和冷却要求较高的领域提供了有效的冷却方案。