空气预冷器是预冷组合发动机的核心部件之一，它的换热能力将严重影响整台发动机的性能。因此，对其进行构型设计、数值计算、参数分析与实验研究具有重要意义。

本文在国内外学者对空气预冷器的研究基础上，结合目前的研究进展以及设计方案的优缺点，设计了面向3D打印加工的新型逆流管翅空气预冷器。翅片的使用增大了换热面积，增强了结构强度。文中通过物理几何关系、经验公式构建了预冷器设计管数与各个物理量之间的关系，利用经典的换热器设计方法ɛ-NTU法建立方程，利用MATLAB软件求解，得到初步设计结果。

为了对逆流管翅预冷器进行精确的数值校核，本文发展了一套快速计算方法来进行预冷器的设计校核，并编制了计算程序。程序中对空气的流动与传热、冷却剂的流动与传热、壁面及翅片的热导进行了解耦，以一维积分方程为基础，建立了考虑截面随位置变化、壁面摩擦、能量传递的计算方法，其中空气物性计算调用了物性拟合公式，冷却剂的物性计算调用了REFPROP或SUPERTRAPP物性计算子程序，壁面摩擦及传热运用了管流内的摩擦经验公式和湍流换热经验公式来计算，翅片采用了求解翅效率方法来等效计算。对于翅片上温度分布计算，运用了求解析解的方式。计算程序中考虑了使用碳氢燃料作为冷却剂的热裂解情况，加入了燃料裂解动力学模型和燃料裂解机理。最后通过利用商业计算平台对该模型进行了校核，两者误差在2%以内，但该方法使计算速度大大加快。

接下来使用本文发展的设计及校核方法，设计了甲烷为工质的空气预冷器，并对其进行了校核，最终校核修正结果与初步设计结果管数相差7%，从而验证了设计方案的准确性。

然后利用本文发展的计算方法，探究了预冷器管数、长度、来流空气马赫数及冷却剂种类对冷却性能的影响。研究表明预冷器内管数越多，换热效果越好，但管数的增加对换热性能提升越来越小。管数增加，空气压损增加，冷却剂压损减小；预冷器长度越长，换热效果越好，但预冷器长度的增加对换热能力提升越来越乏力，且预冷器功重比会减小；来流马赫数越大，预冷器的换热效率越高，但空气出口温度并不能都达到理想状态；不同的冷却工质在预冷器的流动中的流动状态不同，换热能力也不同，甲烷最具备作为冷却剂的初温优势。煤油的热裂解效应可以提高预冷器内冷却剂的吸热量，增强局部换热。氨的吸热能力最强，处于临界温度附近时对预冷器换热能力的提升最为明显，通过综合比较，氨最具备作为冷却剂的优势。

最后设计了与SABRE构型预冷器具有相同壁厚、相同体积的逆流管翅构型预冷器，进行了比较计算。发现流量大时逆流管翅空气预冷器更具换热优势，流量小时SABRE构型预冷器换热效果更好，逆流管翅构型的预冷器压降损失更小。