空气预冷技术能够拓展涡轮发动机的工作马赫数上限，解决涡轮基组合发动机（TBCC）在马赫数3.0到4.5之间面临的“推力鸿沟”难题。其中，燃料直接预冷方案不仅可以简化预冷系统的结构复杂度，还可以较大范围地拓展涡轮发动机的工作上限，因此本文选择了该方案。为获得高功重比、低压损和高预冷效果的预冷器设计，对预冷器结构进行了复合优化。进一步，对预冷发动机的总体性能进行了分析和优化。所做的工作可以归纳如下：

预冷器是预冷发动机的核心部件，首先，搭建了一套气/固/液耦合流动换热计算程序，通过有限差分法和有限元法计算固体结构的导热，并且在冷却剂的流动换热部分耦合了煤油和氨燃料的化学裂解模型，以充分利用燃料的化学热沉；其次，针对三种典型的燃料直接预冷循环，对发动机按部件进行了建模，搭建了性能计算程序；最后，通过结合NSGA-Ⅱ算法与B样条曲线参数化建模，实现了预冷器结构的复合优化，同时建立了其结构参数与发动机热力循环参数的耦合多目标优化框架。

3D打印加工了一种逆流管翅式预冷器，针对煤油冷却剂工况开展换热性能实验，验证了计算方法的准确性；基于实验结果，对煤油预冷器的结构进行了复合优化。相比于实验用预冷器，对于翅片六边形分布构型，通过流体通道边界的形状优化，再分别结合矩形和三角形分形翅片的尺寸优化，可以在预冷效果和换热段空气压降损失较小的前提下，分别将功重比提高20.4%和43.9%。对于翅片四边形分布构型，分别可以提高18.8%和55.6%；对以氨为冷却剂的预冷器结构进行了复合优化。相比于实验用预冷器，对于翅片六边形和四边形分布构型，通过形状优化结合三角形分形翅片的尺寸优化，分别将功重比提高了42.1%和50.3%。

以氢为工质，对比了富氧/富燃燃气涡轮循环和燃料蒸气膨胀循环的性能，探究了三种循环构型的工作边界，以及预冷后空气温度和涡轮前温度的改变对其性能的影响；基于预冷器换热性能的计算结果，揭示了氨、氢、甲烷及煤油在富氧循环中的差异化表现：氨兼具最高当量热沉和高于甲烷与煤油的当量燃烧热值。在马赫数4.0和5.0工况下，将来流总温冷却至相近的温度时，氨所需的当量比最低，甲烷和煤油因冷却当量比远超燃烧需求导致燃料化学能大量浪费，对应的比推力和比冲低于氨；以氨、甲烷和煤油为工质，探究了预冷器的形状优化参数对发动机总体性能的影响。发现帕累托前沿中具有适中温降—压降特征的优化构型在比推力与比冲综合性能上优于高温降—压降和低温降—压降构型。

对预冷器结构参数和热力循环参数进行了耦合多目标优化。首先，以氢为工质，预冷器质量和比冲为优化的目标函数，对比了富氧燃气涡轮循环和燃料蒸气膨胀循环的多目标优化性能；其次，以比推力和比冲为优化的目标函数，对比了氨、氢、甲烷和煤油应用于富氧循环的优化性能。将马赫数5.0来流总温预冷至相同的温度时，氨的优化当量比和体积流量显著低于其他三种燃料‌，优化比推力和比冲高于甲烷和煤油，更适于作为预冷发动机的替代燃料以缓解氢燃料的技术难题‌；然后，以比推力和比冲为优化的目标函数，汇总了氨在不同马赫数下的优化性能。结果表明，若以冷却到马赫数2.5对应的来流总温为预冷要求，则氨至少可以在Ma2.5-4.0预冷模态下实现当量比1.0闭环运行，还可通过欠当量比模式维持发动机的高巡航性能。马赫数提升至5.0时，需将当量比调整至1.25以上方可满足预冷要求‌；最后，通过构建两组目标函数组合—预冷器空气温降/压降/比冲三目标体系与温降/质量/比冲三目标体系，系统研究了目标维度扩展对氨、氢、甲烷及煤油多目标优化性能的影响。

预冷发动机总体性能受预冷器结构参数、热力循环参数与工质特性协同影响。预冷器结构参数，例如预冷器内径、冷却剂通道根数、换热长度、翅片参数和流动通道形状参数等的改变会影响空气的温降和压降，进而影响发动机总体性能；热力循环参数，例如压气机增压比、预燃室氧油比、燃料泵泵压和工质当量比等的改变会影响燃烧室压力、涡轮前温度、涡轮落压比和燃烧效率等；工质种类的合理选择能有效提高预冷发动机总体性能。本文揭示了上述各类参数之间的相互影响关系，对各类参数进行了综合和多目标寻优，对不同工质的优化性能进行了对比，为预冷器与预冷发动机总体的性能分析及优化的深入研究提供了新的理论框架和实践依据。