精密器件的发热功率持续攀升而导致的散热问题严重制约着系统的安全可靠运行。由于尺寸和形状结构优化方法未能充分挖掘散热结构的潜能，仍然存在诸多有待改进的研究技术和手段。因此，本文对高热流密度条件下高温部件内冷通道优化设计(材料最佳布置)展开研究，建立高温部件冷却通道优化问题的数学模型和求解方法，以工程问题中常见的多场耦合问题为研究重点，设计优良的散热结构，建立多物理场拓扑优化方法，分析拓扑优化结构的复杂流动传热机理，揭示优化结构的耦合对流换热内在机理，为工程应用提供理论与实践指导。