高超声速飞行器及发动机的热环境非常恶劣，结构防热是关键技术。再生冷却是目前最常用的主动热防护方式之一。然而随着飞行马赫数以及发动机性能的不断提高，飞行器及发动机的总温与热载荷不断增加，结构防热难度持续增大。因此需要在有限的冷却剂流量条件下尽可能地提高再生冷却通道的对流传热效率。提高传热效率的有效途径之一是对冷却通道结构进行优化，在其壁面上构建凹陷窝、微肋等微小结构，通过产生旋涡结构，改变冷却通道的流动形态，达到提高对流传热性能的目的。凹陷窝和微肋是两种常见的在壁面上构建的微小结构，其形状简单可以通过精密机械加工、3D打印等先进制造技术实现。流体流过凹陷窝和微肋时会形成复杂的三维旋涡结构，增强了湍流脉动，提高了对流传热性能，已被应用于能源、电子和制冷等领域。

目前国内外关于微结构流动与传热的研究，绝大多数针对空气或水等简单物质，并且研究对象的通道尺度较大，多为厘米量级。随着燃料再生冷却技术在高超声速飞行器与发动机领域的应用需求，冷却通道微结构的强化传热特性越来越受到关注。此时，冷却介质是复杂的碳氢燃料，如航空煤油，其物性复杂多变，并且经历液态、气态、超临界态等多物态变化。航空煤油的物性参数在临界点附近会发生剧烈变化，其超临界流动与传热出现很多特殊变化，如流动失稳和传热恶化。因此，本文以再生冷却的微结构强化传热为研究背景，以航空煤油为研究对象，采用数值仿真与实验研究相结合的方法，研究凹陷窝、微肋及其组合结构对毫米级小尺度矩形再生冷却通道内煤油流动及传热特性的影响规律。

本文首先采用雷诺平均方法对两种典型的微结构进行了参数化研究，分别揭示了凹陷窝和微肋导致的旋涡演化特性以及强化传热机理，得到了关键几何参数、煤油流动参数以及壁面热流参数对流阻与传热性能的影响规律。研究表明，随着窝深的增加，凹陷窝结构的传热增益和流阻增益均呈现非单调的变化规律，综合传热因子也随窝深先增大后减小。而微肋结构的传热增益和流阻增益均随着肋高逐渐增大，但综合传热因子随肋高不断下降。尽管超临界煤油会发生传热恶化，但是凹陷窝结构可以减弱超临界传热恶化的影响，而微肋结构可以完全消除传热恶化，并且这两种微结构都可以明显增强超临界煤油的传热性能。基于参数化数值计算结果，进一步分析带有凹陷窝结构和微肋结构的矩形通道煤油流动与传热关系，获得努塞尔数和摩擦因子随几何参数以及流动参数的变化关系式。

采用煤油流动与传热的辐射加热系统，对不同微结构的煤油流动与传热特性开展了实验研究，验证了凹陷窝、微肋及其组合结构均可以显著提高煤油的对流传热性能。通过实验数据，分析了不同微结构对矩形通道内煤油流动和传热的影响，比较了不同微结构的强化传热效果、压力损失增益以及综合传热性能。实验结果表明，凹陷窝结构的优势体现在压力损失更小，而微肋结构的增强传热特性更好并且具有更优的综合传热性能。凹陷窝和微肋的组合结构可以发挥两者各自的优势，其中微肋位于凹陷窝上游的组合方式具有更好的强化传热效果，而凹陷窝在上游的组合方式流阻增益更小。根据不同组合微结构通道的努塞尔数和摩阻系数的实验数据，采用多元线性回归的方法获得了不同组合结构的传热努塞尔数与摩阻系数的预测公式。

本文进一步综合考虑了煤油的湍流流动与传热、固体的热传导过程以及真实三维冷却结构所具有的进出口汇流特性，采用流/固耦合计算方法对不同实验件构型的煤油流动与传热特性展开了数值仿真。计算结果与实验数据很好地吻合，说明了计算方法的准确性。流/固耦合计算得到了不同微结构的壁面温度和压力分布，比较了不同横截面上的流线、速度和湍动能的变化规律，从而揭示了不同微结构的强化传热机理。研究发现，组合结构可以增加旋涡结构，改善速度和湍动能的分布，从而提高传热效果、降低壁面温度，而且还能够减少流动阻力的增加，故组合结构的传热性能优于凹陷窝结构，同时压力损失小于微肋结构。