以超声速燃烧冲压发动机所应用的再生冷却技术为背景,通过数值模拟、实验研究等方法,开展了超临界压力流体特别是超临界压力碳氢燃料的对流换热及热裂解研究,为高超声速飞行器的热防护系统设计及再生冷却技术的实现提供基础理论支持。利用直接数值模拟研究了超临界压力CO2在竖直圆管内的湍流对流换热机理。向上流动时,壁面附近强浮升力使得轴向速度的径向梯度在主流区变小,速度的径向分布变平坦进而变为M型。雷诺切应力由正常值变小为零进而变为负值。湍动能生成项与湍动能由于雷诺切应力和轴向速度的改变先变小至极小值然后恢复。对流换热系数取决于湍动能的大小,湍流层流化使得湍动能减少,对流换热系数大幅下降,瞬态涡量场可直观揭示这一过程。开展了竖直圆管内超临界压力正癸烷的对流换热和流动换热不稳定性实验研究与分析。结果发现共存在7个稳定性阶段。不稳定阶段主要原因是流动转捩及剧烈变化的物性,前者与湍流有密切关系,后者为非线性动力学中的Helmholz型振荡。不同的稳定性阶段具有不同的振荡频率、声响、振幅特性。浮升力与Helmholz型的密度波振荡有着紧密联系,提高压力、升高进口温度或采用向下流动方式将有效增强系统的稳定性。对EHF-Ⅰ和EHF-Ⅱ两种工程燃料开展了竖直圆管内的对流换热实验研究。在相对较低的进口Re条件下,浮升力的影响显著增强,特别是在高热流密度时,向上流动工况产生湍流层流化和传热恶化,壁温飞升并出现峰值。实验得到判定EHF-Ⅰ燃料发生传热恶化的临界Bo*为3×10-7。EHF-Ⅱ燃料相比于EHF-Ⅰ更早发生传热恶化,但最高壁温低于EHF-Ⅰ燃料。由实验数据拟合了浮升力影响较大时EHF-Ⅰ和EHF-Ⅱ的对流换热准则关联式。对EHF-Ⅰ燃料开展了超临界压力下流动热裂解研究。热裂解产生链烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等物质。影响裂解率的主要因素是反应温度和驻留时间。实验发现生成物可分为三种类型,并根据实验数据得到了低裂解率条件下的等比例化学反应模型。热裂解发生时一方面产生额外化学热沉增强换热,一方面裂解气形成的气泡层具有较低换热能力阻碍对流换热,综合效果为热裂解使得对流换热得到一定程度的强化。