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在液体火箭发动机中,喷管是产生推力的主要部件,高温高压的燃气在喷管中膨胀加速,由喷管出口排出并产生推力。液体火箭发动机的喷管由收敛段和扩张段组成,燃气在喷管中的流动直接受喷管型面的影响,其中又以扩张段型面的影响最大。对于不同扩张段型面的喷管,管内气体的流动传热特性存在差异,喷管的性能高低不同。在实际应用中,喷管的选择需考虑比冲、质量、传热等方面的要求。因此,研究不同喷管的流动传热特性以及性能差异具有重要的工程意义。本文首先对理想喷管、截短理想喷管、压缩截短理想喷管和最大推力喷管的扩张段型面设计方法进行了研究,在给定面积比和长度的条件下,使用MATLAB编写了各喷管扩张段型面的设计程序;在喷管型面计算中,提出综合索尔法和克列格尔法对喷管跨声速区进行求解的方法,由索尔法得到初值线,并采用克列格尔法计算初值线上的速度。在完成喷管型面设计的基础上,本文通过数值模拟对截短理想喷管(TIC)、压缩截短理想喷管(CTIC)和最大推力喷管(TOC)的流动特性进行研究,计算并比较不同喷管的性能参数,其中喷管长度取15°锥形喷管的80%。结果表明:(1)最大推力喷管的几何效率较高,摩擦效率较低,喷管质量较大;(2)截短理想喷管的几何效率较低,摩擦效率较高,质量较小;(3)压缩截短理想喷管的压缩因子不能取得太小;当压缩因子达到一定值时,其比冲出现最大值;具有最大比冲的压缩截短理想喷管的几何效率、摩擦效率介于最大推力喷管和截短理想喷管之间,质量低于最大推力喷管;(4)在小面积比(ε_e≤2 5)情况下,最大推力喷管的比冲最高,压缩截短理想喷管的最大比冲高于截短理想喷管;在大面积比(ε_e≥100)情况下,截短理想喷管的比冲最高,压缩截短理想喷管的最大比冲与之接近,而最大推力喷管的比冲较低。此外,喷管长度对喷管性能影响的研究表明:喷管长度在15°锥形喷管的80%附近取值是合理的。在不同喷管的传热特性研究中,本文分别采用三维数值模拟和一维传热程序对截短理想喷管和压缩截短理想喷管上段的再生冷却传热进行了数值计算。数值模拟结果表明:压缩截短理想喷管单位时间内的换热量较高,传热效果较好,从冷却通道出口流出的氢具有较高能量,有利于后续做功。将一维传热计算结果和三维数值模拟结果进行比较,发现一维传热程序所用的Bartz公式对于大面积比喷管的传热计算存在较大偏差,对常数C的修正无法从本质上改善计算的准确性,Bartz公式在大面积比喷管传热计算中的应用需结合试验数据进一步研究。