超燃冲压发动机常用的热防护方案是利用冷却工质来吸收壁面的热量,且冷却通道常被设计为矩形。在矩形通道内部存在着普朗特第二类二次流这一复杂流动结构,其对矩形通道内工质流动与传热过程的影响值得进行研究。本文从热电转换的角度出发,选用氦气作为冷却工质,以隔离段为例,对矩形冷却通道内氦气的流动与传热过程进行数值仿真,重点研究热流密度分布及矩形通道高宽比对工质流动与传热过程的影响。首先,根据已有的公开文献中的相关实验数据,验证了本文所采用的数值计算方法对矩形通道内流场计算的适用性。在此基础上,建立了矩形通道的物理模型,并对网格无关性进行了验证。其次,根据已验证的数值计算方法,对物性参数变化、浮力、辐射等因素对工质流动及传热过程的影响进行了研究。结果表明,二次流结构强化了冷却通道内的换热;冷却通道内工质的流动及传热过程受工质物性参数变化影响较大,受浮力、辐射影响较小。然后,研究了不同热流密度分布对矩形通道内工质流动及传热过程的影响。结果表明,隔离段壁面非均匀分布的热流密度会对氦气的流速及冷却通道壁面的温度分布产生明显影响。在本文算例下,对于氦气流速,非均匀、均匀热流密度下的结果最大可相差13%。对于壁面温度,在x=0.2m前,两种热流密度分布下的温差在10%以上,占冷却通道总长的28%。不同工况下,热流密度的波动会对冷却通道出口的壁面温度产生明显影响,最高温差约100K。最后,研究了矩形通道高宽比对工质流动及传热过程的影响。结果表明,不同高宽比下,沿长边壁面分布的涡流总是在流场中占优,进而使长边壁面附近的二次流对主流等速线产生明显影响,向流场内部弯曲;沿短边壁面分布的涡流总是受到抑制,这使短边壁面附近的二次流结构对主流等速线无明显影响。同时,当长边壁面足够长时,壁面对称位置二次流减弱,使得主流等速线的最大变形位置由壁面中心向两侧偏移。主流速度分布的变化会对耦合壁面处的换热产生影响。由于不同高宽比下,沿长边壁面分布的涡流在流场中占优,使得壁面附近的主流速度分布曲线呈现下凹趋势,从而使对应位置的热流密度分布曲线也受到抑制;沿短边壁面分布的涡流在流场中受到抑制,未对主流速度分布曲线产生明显影响,因此短边壁面处的热流密度分布曲线也无明显变形。总的来说,在主流受到二次流结构抑制的地方,其换热也受到相应抑制。对于不同高宽比通道的冷却性能,结果表明,高宽比对单一方向壁面的换热量存在明显影响,侧壁换热量随高宽比增加而增加,下壁面换热量随高宽比增加而减小。最高壁面温度会随高宽比增大而降低,此时壁面温度分布均匀性也得到了提升。总的来说,在本文计算工况下,大高宽比通道的冷却性能要更好。