Durante el proceso de laminado planetario de tres rodillos, la eficiencia de enfriamiento de las estructuras de boquillas convencionales es insuficiente, lo que puede llevar fácilmente a la adhesión de cobre en la superficie del rodillo, degradación de la calidad del producto y acortamiento de la vida útil del rodillo, limitando así tanto la calidad de los tubos de cobre como la eficiencia general de producción. Para mejorar el rendimiento del sistema de enfriamiento, este estudio propone una nueva estructura de boquilla elíptica y desarrolla un modelo acoplado multifísico para revelar los efectos del ángulo de inclinación de la boquilla y la relación de presión gas-líquido en el comportamiento de enfriamiento. Se utilizó una plataforma experimental construida de forma independiente para medir los patrones de flujo del chorro y la temperatura superficial de las placas de acero aleado bajo diversas condiciones de parámetros, validando así la precisión y fiabilidad del modelo numérico. Los resultados indican que, bajo la misma área de salida efectiva, la boquilla elíptica aumenta significativamente la velocidad de salida del chorro y la eficiencia general de enfriamiento. Para abordar los problemas de alto costo computacional y baja eficiencia durante la optimización utilizando simulaciones de elementos finitos, se introdujo un modelo sustituto de alta precisión basado en un algoritmo de Bosque Aleatorio (RF), y los parámetros geométricos de la boquilla se optimizaron globalmente utilizando un algoritmo de Optimización por Enjambre de Partículas (PSO). En última instancia, la estrategia combinada RF-PSO mejoró el coeficiente de transferencia de calor promedio en un 55.57%, mejorando notablemente el rendimiento de enfriamiento del rodillo y proporcionando una base teórica sólida y una referencia metodológica para el diseño de sistemas de enfriamiento de alto rendimiento y la fabricación de tubos de cobre de precisión.