随着微电子技术和微机电系统(MEMS)迅速发展，其单元组件功率不断增加而体积越来越小，由此产生的高热负荷管理问题急需解决。传统的冷却方式受到设计和制作的限制渐渐无法满足要求，微射流矩阵(MJA)冲击冷却作为一种新型冷却技术开始受到人们的关注。射流冲击冷却由于其速度和温度边界层都很薄，是一种最具效率的强化换热手段，而微尺度的矩阵布置增强了换热的均匀性，进一步提高了换热效果。所以对微射流矩阵冲击冷却进行研究具有重要意义。本文在Leland等MJA冷却实验装置的基础上进行了数值模拟和优化设计，并在涡轮叶片冷却中矩阵射流的应用也进行了研究。本文根据流体力学和传热学知识，对适用于冲击射流流动的RNGκ-ε湍流模型、计算处理和数值方法等方面进行了比较详细的理论分析。通过对MJA装置的数值模拟，结果表明矩阵冲击冷却确实具有很高换热效率，同时能观察到和实验中相似的换热面“热斑现象”，换热面温度从中心向外呈“低-高-低”分布。进口管正下方冲击射流特征最为显著，具有最大的局部换热系数，而邻近孔的射流法向流动很不明显，这是因为充气区的高速水平流动形成低压区和冲击区的回旋流引起的，从而造成该区域形成“热斑现象”。邻近出口位置冲击射流速度比较高，换热效果有所增强，但由于横流增强而造成冲击射流发生偏转，这一定程度上削弱了射流冲击的作用。本文针对MJA实验装置几何参数进行小范围内的改动并优化设计，找到最佳的参数匹配方案。优化结果表明换热效果随着射流孔直径减小而增强，到0.200mm时达到最佳；随着射流孔间距与直径比的增加而减小；随着冲击高度与直径比的减小而增加；随着进口面积能先增强后削弱，在9mm直径时达到最佳。会聚射流和缝射流的数值计算结果表明，和圆孔射流相比，这并不能改善换热效果。本文还对叶片中的矩阵射流冲击冷却进行了数值模拟分析，结果表明冲击射流冷却比直接对流换热提高了3～5倍。最好的矩阵射流布置是等间距小尺寸直径孔。