以陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite,CMC材料)为代表的纤维增韧复合材料由于其耐高温、高强度、低密度特点,在航空发动机高温部件中逐步得到工程实际应用。本文针对几种典型的纤维增韧复合材料,分析了微观代表性单元特征和材料宏观热特性的对应关系,建立了不同类型复合材料等效导热系数的预估模型,阐明了导热系数各向异性特征在CMC材料涡轮叶片热分析中的引入方式,分析了各向异性材料典型构件的气膜冷却效果,探究了典型气膜冷却结构在CMC材料涡轮叶片中的应用模式和实施效果。研究中首先针对典型单向纤维增韧复合材料,应用蒙特卡洛模拟和概率统计分析,发展了基于RVE(Representative Volume Element,代表性体积单胞)的热分析方法,建立了包括等效导热系数、热流密度场和温度梯度场等不同物理信息的RVE最小尺寸多重判据,提高了典型纤维增韧复合材料热物性的预估精度,掌握了材料内部温度梯度和热流密度等热物理场的分散特性。研究结果表明,仅仅根据等效导热系数确定的RVE尺寸,将会在复合材料内部热流密度场和温度梯度场的预估中带来较大的误差。本文研究的单向长纤维增韧复合材料热分析中RVE最小无量纲尺寸应为80。在此基础上,针对2.5维编织纤维增韧复合材料,建立了具有严格周期性的RVE模型以及基于涡轮叶片实际壁厚的全尺寸模型,分析了复合材料构件真实厚度对材料等效导热系数预估精度的影响,建立了对应的等效导热系数预估方法,并通过试验验证了其预估精度。研究中发现在涡轮叶片等薄壁结构的热分析中,由于不能严格满足RVE模型的周期性假设,RVE模型计算得到的厚度方向等效导热系数具有较大的偏差,计算和试验对比结果表明,基于传统RVE模型计算获得的等效导热系数与试验结果的相对误差为10.93%,而基于全尺寸模型计算获得的等效导热系数与试验结果的相对误差仅为3.53%。随后开展了复合材料平板单排及多排孔气膜冷却的数值模拟和试验研究,阐明了复合材料平板气膜冷却结构的内部热量传输机制,获得了不同吹风比下,复合材料导热系数的各向异性特征及其空间分布变化对气膜冷却综合冷却效果的影响规律。研究结果表明,导热系数各向异性对气膜综合冷却效果的影响比较复杂,当导热主方向与计算坐标系之间的夹角发生变化时,平板气膜综合冷却效率及其均匀性均发生变化。流向夹角α和展向夹角β对平均综合冷却效率的影响规律并不单调。对于单排孔气膜冷却,吹风比为0.5时,气膜孔下游0-10D区域(D为气膜孔直径)的最高平均冷却效率对应的夹角α和β分别为35°和60°。当吹风比不同时,上述两夹角对气膜综合冷却效果的影响规律也不尽相同。吹风比增加为1.5时,0-10D区域最高平均冷却效率对应的夹角α和β分别变为60°和0°。在获得了典型增韧复合材料的导热系数预估模型、热分析方法以及材料导热各向异性对气膜综合冷却效果的影响规律后,本文以涡轮叶片为对象,创新发展了基于导热系数预估全尺寸模型,并且考虑各向异性导热系数空间分布随叶片型面变化的热分析方法,较好地模拟了复合材料涡轮叶片的综合冷却效果。同时进行了典型CMC材料涡轮叶片的综合冷却效率试验,试验中分析了典型CMC材料涡轮叶片的冷却效率分布特征,获得了不同冷却方案的综合冷却效果,并进一步验证了本文建立的热分析模型和计算方法的精度。对比结果表明,对于叶片前缘、部分压力面和部分吸力面三个特征区域的平均综合冷却效率,计算和试验结果的相对误差分别为8.48%、7.75%和2.11%。