近年来，以泡沫结构为代表的毫米级孔隙材料在能源动力、化工和航空航天等技术领域开始展现出重要的应用前景。在这些技术领域中，泡沫多孔材料内的物理过程，为高强度的高温能量转换与输运。此外，由毫米级缝隙和纤维多孔材料(微米级孔隙)填充物组成的高超声速飞行器热密封结构，也经历类似的高温过程。无论在高速流动或是低速流动下，流体域、固体域和多孔域共存是此类过程的共性特征。由于该类多区域问题涉及导热、对流和辐射三种传热方式的复杂耦合，导致现有的研究对其中的动量及热量输运规律尚缺乏必要深度的认知，制约了相关技术的发展。
　　本文分别以高温换热器强化传热、飞行器减阻降热以及飞行器热密封结构为应用背景，开展泡沫及缝隙结构的对流-辐射高温耦合传热机理、数值计算方法和过程输运特性的研究。
　　基于结构化网格系统和蒙特卡洛法(MCM)，引入一种求解非规则区域内辐射热源项的混合策略。采用该策略计算泡沫骨架表面间的孔隙尺度辐射换热，并将其与流-固耦合传热CFD模拟结合，建立泡沫结构内对流-辐射耦合传热的孔隙尺度模拟方法。分别从孔隙尺度对流传热模拟和热辐射传输求解两方面，验证计算方法的可靠性。对填充镍泡沫的矩形通道，分析定壁温加热下泡沫结构内的孔隙尺度流动和高温耦合传热特性，阐明连续尺度模拟对大梯度传热区域的不适用性。
　　鉴于连续尺度模拟在大梯度传热区域的局限性以及孔隙尺度模拟计算量巨大的缺点，基于多区域耦合理念，将连续尺度模拟和孔隙尺度模拟相耦合，建立泡沫结构内对流-辐射耦合传热的双尺度分析方法。对有外部入射辐射的镍泡沫层内强制对流高温耦合传热展开研究，以孔隙尺度模拟以及现有文献关联式的计算结果对双尺度模拟的可靠性进行检验和分析，并比较孔隙模拟和双尺度模拟的计算效率。
　　对高速流中泡沫结构的对流-辐射耦合问题，采用基于密度的高速流动求解算法、考虑多区域耦合传热效应，进行连续尺度模拟。分析高速气流冲击下前缘安置柱状泡沫结构的耦合传热及气动阻力特性，获知多孔域内流场的瞬态发展特征、内部气流与骨架间的传热状态以及多孔域长度变化对气动效应的影响规律。在此基础上，对前缘安置有泡沫减阻杆的钝形轮廓结构开展分析，以带有实体减阻杆的固体结构为参照，剖析泡沫减阻杆周围的绕流特征，考察其对主体前部壁面气动加热强度以及整体激波阻力的降低效果，并揭示其减阻和降热机理。
　　针对飞行器热密封结构的高温耦合传热问题，采用基于密度的全速域流动计算方法，并考虑多区域耦合效应，对高速流场中局部缝隙结构的瞬态热侵入过程开展数值模拟，获得外流场对上壁面气动热流、缝隙入口流场参数的单向输运影响特性；进而，提出一种将外部高速流场和缝-腔内低速流场解耦计算的快速分析方法，归纳得到外壁面解耦参数关联式，并以全速域耦合计算结果和电弧风洞实验数据检验解耦算法的可靠性；最后，利用该解耦算法对不同特点的局部缝-腔结构的长时间瞬态热侵入特性开展分析。
　　通过研究，建立了适用于泡沫及缝隙结构的对流-辐射高温耦合传热分析的计算方法，为预测泡沫结构在高温强化传热、高速飞行器减阻降热以及热密封结构的特性规律提供了分析手段。获得的分析结果，为相关应用研究和技术发展提供了认识基础和参考依据。