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论文以应用于氟化氘/氟化氢(DF/HF)化学激光器的射流混合型高超声速低温(HYpersonic Low TEmperature,HYLTE)喷管为研究对象,采用理论分析、数值仿真和实验观测等多种手段,借助先进设计优化方法,对超声速来流横向射流的混合特性、高超声速低温喷管的流动混合过程、设计与优化技术进行了系统深入的研究。建立了HYLTE喷管的性能评估方法,引入相对未混合度衡量喷管混合性能,提出了一种综合性能指标;发展了适用于超声速来流横向射流计算的混合RANS/LES数值模拟方法。综合多种流动显示技术与数值仿真手段,深入分析了超声速来流单孔燃料横向喷射流动的混合特征,获得了变喷注压降以及变喷射角度条件下的混合特征变化规律;系统研究了超声速来流串/并联多孔燃料横向喷射流动混合特征,考察了串联喷孔间距改变、并联喷孔间距改变对喷射流动以及混合特征的影响。提出了HYLTE喷管的结构设计方法,利用元素方法对单喷管个数、型面参数、位置参数和基区结构参数进行设计。得到了对设计要求满足程度好的HYLTE喷管基准构型。编写了基于混合RANS/LES方法的HYLTE喷管/光腔流场的数值模拟程序,对基准构型流场和流动混合特性的仿真分析表明:反应界面拉伸和扭曲是射流型HYLTE喷管流动混合的显著特征。系统研究了氧化剂喷管、稀释剂喷管和燃料喷管总压对HYLTE喷管性能的影响;通过改变单喷管个数、单喷管型面参数、单喷管位置参数和基区结构参数,全面研究了不同构型参数对HYLTE喷管性能的影响。建立了HYLTE喷管的参数化设计方法,对HYLTE喷管关键参数的制约关系和敏感度进行了分析。采用自适应多项式响应面作为替代模型,对HYLTE喷管构型在参数化设计方法确定的设计空间内进行了优化。相对于基准构型,优化所得构型Ⅰ和构型Ⅱ的综合性能在设计工作条件下分别增加了65.5%和72.3%。采用参数影响分析方法研究了HYLTE喷管构型参数对各性能参数的影响,发现对喷管性能影响最大的因素为副喷管喷射角,其次为副喷管间距。