随着高超声速飞行器技术的不断发展,其前缘结构所承受的热环境越来越恶劣,因此更加高效的热防护技术已经成为该领域关注的焦点。在各种热防护技术中,发散冷却由于多孔介质巨大的比表面积,被证明具有出色的冷却能力。然而,由于发散冷却过程的复杂性,目前对发散冷却的机理研究,特别是对具有相变的液体发散冷却的研究相对缺乏,本文针对这一问题采用数值模拟的方法开展深入的研究。对于气相发散冷却,本文对系统的冷却能力,即:一定冷却剂用量条件下一个发散冷却系统能承受的最高热流,进行了研究,指出冷却剂吸热能力和流固换热能力共同限制了系统的冷却能力。在此基础上,研究了不同冷却剂质量流速条件下固体热导率、颗粒直径、多孔介质厚度以及冷却剂比热容等因素对系统冷却能力的影响。相比于气相发散冷却,采用具有液体相变的液相发散冷却,由于巨大的相变潜热和沸腾换热系数,具有高得多的冷却能力。然而,由于涉及到冷却剂在多孔介质内的相变过程,数学模型比较复杂。本文通过数学等价变换的方法,对目前常用的局部热非平衡两相混合模型进行了改进,获得了更为简单的数学模型。在此基础上提出分区域求解的数值方法,实现了多孔区域和主流区域的耦合计算。通过对二维楔形多孔锥体内的液相发散冷却过程的数值模拟,本文分析了液相发散冷却过程中冷却剂流动换热特性。模拟结果指出液相冷却剂在多孔介质内完全相变和不完全相变两种情况下,多孔介质内冷却剂的流动特性是完全不同的,当冷却剂无法在多孔介质内完全相变时,大量冷却剂会沿着液相区和两相区流向多孔介质末端并流出,造成表面极不均匀的质量流速分布和大量相变潜热的浪费。冷却剂质量流量和注射压力之间呈现“N形”关系,即在很小或者很大的质量流量条件下,两者正相关,但是质量流量处于中间区间时,两者呈现负相关关系。这两个有趣的现象均是由冷却剂液相和气相之间巨大的运动粘度差造成的。基于对发散冷却过程机理的研究,为了给液相发散冷却系统的设计和优化提供参考,本文进一步研究了固体热导率、颗粒直径以及多孔介质厚度等参数对液相发散冷却系统的冷却效果的影响。与气相发散冷却相比,这些参数对液相发散冷却系统冷却效果的影响是迥然不同的。这主要是因为液相发散冷却存在极薄的两相区承担绝大部分的流固换热。由于液相发散冷却过程中相变可能导致的微孔气堵效应,直接应用于大面积区域热防护时很难实现相变潜热的充分利用,造成过高的冷却剂需求量。针对高超声速飞行器前缘大面积区域的热防护,为了尽量减少冷却剂消耗量,综合考虑各种主动冷却方式的优劣势后,本文设计了一种以液相工质为冷却剂,组合液相发散冷却、气相发散冷却、对流冷却和气膜冷却的组合冷却方式。