随着航空技术的迅猛发展，人们对航空发动机效率和推重比的提升有了更高的要求。提高航空发动机性能的一个途径就是提高涡轮前燃气进口温度，这就造成发动机尾排气喷管热负荷大幅增加，发动机排气喷管红外辐射由此增强，尤其是在发动机加力状态下。对排气喷管最有效的红外抑制方式之一就是降低其表面温度，特别是对喷管扩张段壁面的强化冷却。本文针对收扩喷管扩张段壁面，开展了超声速主流条件下的气膜冷却特性数值研究工作。首先，本文采用Fluent软件对不同气动参数下的二维平行缝槽超声速流动和气膜冷却特性进行数值模拟，得出了以下主要结论：不管主流是亚声速流还是超声速流，冷却流为超声速时的气膜冷却效果要好于冷却流为亚声速流时的冷却效果；主流为亚声速，冷却流为超声速流动的时候，因为次流入射动量大、与主流掺混时间相对短，能够在气膜狭缝下游较长距离形成气膜，冷却效率最高可比冷却流为亚声速时高45%。其次，对收扩喷管扩张段开展了气膜冷却特性数值模拟，得出了以下主要结论：次流流量较小时，随着气膜孔倾角的增加，气膜冷却效率会稍有降低；次流流量较大时，随着气膜孔倾角的增加，气膜冷却效率下降幅度较大，并且每个气膜孔下游的冷却效率曲线出现先下降后上升再下降的变化趋势，这是因为气膜出流会出现先脱离边界层然后再附的趋势；气膜孔角度和冷却气流流量的增加导致气膜冷却效率降低，这是因为气膜射流法向动量增加使得气膜对主流的穿透能力增强，气膜孔下游形成的对转涡对强度和作用范围增强，对转涡对卷吸主流进入气膜层；对于主流温度为1160K的收扩喷管，利用气膜冷却方式可将扩张段壁面的平均温度降低到808K，而次流的流量仅占主流流量的0.2%。最后，对收扩喷管扩张段开展了冲击+气膜的冷却特性数值模拟，得出了以下主要结论：超声速喷管在气膜射流作用下，附面层的抬升使得喷管扩张段上游和下游都产生了斜激波，对气膜冷却有影响；次流进口压力增加，气膜孔出流流量有显著的提升；气膜孔和冲击孔的间距减小，次流质量流量减少；在本文最小排列间距和最大引气压力的条件下，次流引气量为5.087kg/s，仅占主流流量的9%，喷管扩张段壁面的大部分区域的温度降低到800K以下，显著低于主流温度为2100K。