超声速喷管在高速飞行器、风洞、高能激光器等设备中的应用非常广泛，在航空、航天和军事应用上具有重要的意义。火箭发动机和航空发动机上为了能够获得大的推力，尾部排气需要有很高的动能，也就是说排气速度必须非常高，这就需要超声速喷管来使其达到这个速度。超声速喷管的设计技术涉及空气动力学、优化理论、微分方程数值解法和计算机程序设计等领域，具有明显的工程科学特征[1]。

      图1。1 拉瓦尔喷管结构图

1。2  超声速喷管设计的早期发展

1893年在芝加哥万国博览会上，瑞典工程师Carl G。 P。 de Laval 向人们展示了一个单级涡轮蒸汽机，用于轮船的动力装置。这种单级涡轮蒸汽机的创新之处在于其用一系列的收缩-扩张管道来供应高温高压蒸汽使得蒸汽机的转速达到了30000r/s打破了当时的记录，从此拉瓦尔喷管开始被世界人所熟知。

匈牙利工程师A。B。 Stodola开展了拉瓦尔喷管实验，通过调节喷管出口反压来调整喷管内部流动状态，并于1903年在他的专著“Steam Turbine”中公布了测量结果，首次证明了拉瓦尔喷管中存在超声速流动，并且在专著中解释了激波导致的喷管中压力等参数的突跃现象。

1905-1910年，Prandtl研究了拉瓦尔喷管，并对激波、膨胀波理论、可压缩流动进行了深入分析。1908年，Prandtl的学生Meyer在他的博士论文中第一次提出马赫波和马赫角的概念，同时计算出了膨胀波以及斜激波的气动公式，阐明了超音速流动的本质特征。1929年，Prandtl与Busemann发表了一篇有关超音速喷管设计的文章，提出基于特征线的超声速喷管设计方法，为超音速喷管的设计提供了理论指导[1]。

1。3  超声速喷管设计的研究现状

1。3。1  国外超声速喷管的研究现状

1。3。2  国内超声速喷管的研究现状

1。4  超声速喷管设计所面临的问题

目前，拉瓦尔喷管主要应用于超声速风洞、航空发动机和火箭发动机以及其他一些用到超声速气流的条件。由于使用背景不同，各种状况下对喷管的流场要求也不同，但这几种条件下的喷管都面临着设计方法、流畅品质优化、几何优化的问题[1]。论文网

（1）传统风洞喷管为了能够得到均匀的试验段气流而采用锥形喷管设计，但喷管内部的

流场品质不是太理想，因此，传统的设计方法不适用于对喷管出口气流品质有较高要求的场合。

（2）航空发动机和火箭发动机对推力、效率以及尾部流场的质量要求较高，如果喷管长

度过长，质量就会过大，发动机效率难免会降低，同时，如果喷管内流场品质较差，能量损失就会增加，发动机性能也会相应下降。

（3）应用在气动激光器上的喷管叫自由漩涡喷管，设计时喷管边界层要尽量薄，否则将会改变光的反射、折射路线导致气动窗口的光学性能降低。喷管长度也要尽可能短，否则将会导致整个设备较为笨重，同时也会增加边界层厚度。

（4）在超声速流动的研究中，非均匀来流、超声速转弯、复杂截面流道等的流动特性较为特别，目前其流动机制发展的研究还很不成熟，但在工程应用方面其有着很好的研究前景，获得所需的流场所要设计的喷管也是目前急需解决的关键技术。

1。5  本文的工作和采取的研究手段

本课题根据某型号固体火箭发动机总体设计要求和限制条件，对该火箭弹超声速尾喷管型面进行设计，确定型面设计方案。利用计算流体力学方法，仿真喷管内流场，分析计算不同入口压力条件下喷管内流场的特性和壁面压力、管内流量、马赫数等分布。