● 摘要
应用于水下推进领域的水下火箭发动机点火过程研究表明，发动机工作初始瞬间的推力峰值之后，由于水下气体射流发展过程存在间歇性的胀鼓、颈缩或断裂、回击等动态不稳定现象，导致发动机起动过程出现间歇性推力脉冲。目前，对这一问题的产生机制还没有一致认同的详细解释。深入了解水下超声速喷管出口燃气泡的发展及射流的动态不稳定机制对水下发动机的工作特性和航行器的研究发展具有重要意义。
在系统分析水下超声速射流的物理过程基础上，针对水下超声速气体射流不同流动过程所涉及的问题特点，本文分别发展了基于VOF多相流模型的气/水两相计算流体动力学方法，以及一套基于高速摄像和图像处理方法的水下超声速喷管气体射流的通用试验平台。在进行详细的流动分析之前，本文选取典型的试验研究模型，通过数值模拟结果与其他研究人员给出的数值模拟和试验结果的对比，对本文发展的数值研究方法进行了验证。
基于水下超声速喷管完全膨胀射流数值模拟结果的系统分析，本文初步揭示了水下超声速喷管气体射流振荡的流动机理：气体射流不稳定振荡涉及可压缩高速气体与不可压水环境介质相互耦合的复杂流体动力过程，扰动源位于超声速喷管出口附近更下游的尾流场，且水环境介质的运动扮演了重要角色；气/水界面和流场的压力振荡发展过程可以分解为四个基本阶段，即同步共振振荡、异步过渡、非同步振荡以及同步过渡阶段，这四个基本振荡阶段构成了射流界面动态不稳定性发生、发展以及衰弱的完整周期过程。计算研究初步揭示了水下超声速喷管出口附近气/水界面的发生“膨胀/颈缩”以及“颈缩/回击”振荡的物理本质，前者是水下高速气体射流不稳定振荡的基本形态，而“颈缩/回击”现象是前者在特定条件下强度达到一定程度后的射流形态表征，两种振荡现象本质上属于相同力学机制驱动的射流动态不稳定性，对于两者之间关联性，本文给出了详细的流体动力过程解释，并给出了相关必要条件。
作为初步的探索研究，本文以水下超声速喷管的入口和出口压力参数为主要研究对象，进一步开展了水下超声速喷管气体射流振荡的动力学特性研究，设计了三组数值或冷流模型试验。数值和试验研究发现，喷管出口存在弱欠膨胀或过膨胀效应、矩形超声速喷管出口非均匀膨胀效应以及喷管入口供给压力的爬升或下降过程等三个方面因素均会对喷管出口气体射流流场的动态不稳定性产生一定程度的影响，当然，详细的流体动力过程和力学机理仍有待更为深入的研究。
针对非对称超声速喷管过膨胀下的分离流动问题，本文以环喉型圆锥塞式喷管为例，通过对喷管起动过程的数值计算分析，深入的研究了这一类型的非对称喷管内可能存在激波诱导分离流动行为，计算结果显示：激波/激波、激波/附面层相互作用等激波相关流体物理现象始终主导圆锥塞式喷管流场的建立和发展过程，相比于轴对称的锥形或钟形喷管，圆锥塞式喷管内激波结构的形成、发展以及流动分离行为更为复杂；圆锥塞式喷管过膨胀下的分离流动行为与其流场复杂的激波相关流动过程高度相关，已有的分离预测模型不能很好的描述喷管壁面的激波诱导流动分离行为；另外，塞锥表面分离数据分布随工作压比变化的存在显著的分区特性，不能仅仅通过单一的预测模型对塞锥表面的分离行为进行预测。
不同环境背压下的流场建立过程研究显示，低压比工况下，Reynolds数效应对激波结构和流动分离形态的具有重要影响，随着喷管工作压比的增大，Reynolds数效应对喷管激波/附面层作用过程及其诱导的分离流动结构的影响逐渐减弱，高压比工况下，流场的激波结构及分离流场特征基本保持不变。尽管喷管的流动结构存在显著的Reynolds数效应，尤其是较低压比下的高度过膨胀工况，Reynolds数效应对喷管的轴向推力性能影响几乎可以忽略；较低压比下塞锥表面形成受限激波分离、较高压比下塞锥表面在喉部内激波以及末端冲击射流效应作用下，均能获得高于环境背压的壁面压力分布，圆锥塞式喷管在分离流动下仍然具有显著的推力补偿特性。
最后，本文将塞式喷管概念进一步扩展到水下固体火箭发动机应用领域，初步的计算研究发现：圆锥塞式喷管在水下的过膨胀流动也存在间歇性的颈缩、胀鼓以及回击现象；与轴对称喷管的水下射流不同的是，高速气流由内喷管喷出后，将在环境水介质和塞锥壁面形成的流道内进一步流动，气/水界面表现出类似与壁面的约束作用；喷管膨胀背压的大幅度脉动和塞锥外流场气/水边界波动导致的气流膨胀通道变化，使得水下圆锥塞式喷管出现了不同于空气环境下的多种分离流动形态。