本文以单边膨胀喷管(SERN)为研究对象,采用数值模拟、理论分析与实验验证相结合的方法,对严重过膨胀状态下SERN喷管中的流动分离模式,以及相应的流动分离模式转换现象进行研究。首先,归纳、总结了直壁过膨胀SERN中的流动分离模式。与传统轴对称火箭喷管不同,SERN中的过膨胀流场呈现严重的非对称性。火箭喷管中FSS模式是一个普遍存在的流动分离模式,是火箭喷管中主要的流动分离模式,而RSS只在特定型式的喷管中存在。对于SERN,RSS(ramp)模式是一个普遍存在的流动分离模式,也是SERN中流动分离的主要形式。在数值模拟过程中,除了RSS(ramp)模式外,还发现了FSS与RSS(flap)两种特殊的流动分离模式。火箭喷管的FSS和RSS模式通常伴随着很明显的正激波现象,分离流动部分只存在于壁面分离激波后较小的区域内。SERN中由于缺少了火箭喷管FSS和RSS模式中大范围的正激波的作用,分离激波可以影响到的区域更大,导致SERN中不同分离模式中流场差异较大。然后,通过数值模拟和风洞实验,研究了直壁过膨胀SERN中的分离模式转换过程。火箭喷管中FSS和RSS模式间的相互转换会带来不利于飞行器的侧向载荷,严重时可能会影响整个火箭的工作。SERN中的FSS和RSS模式的相互转换同样存在着“侧向载荷”的问题,但是分离模式转换所引起的侧向载荷作用在飞行器的升力方向,这样引起的主要问题是喷管工作性能的突变,给飞行器的稳定飞行带来一定的困难。由于喷管流场的作用机理不同,喷管的起动、关闭过程与加、减速过程,产生了完全不同的喷管内流场发展过程。由于过膨胀SERN流场中的分离激波,喷管的起动和关闭过程以及加速和减速过程在很多情况下并不是简单的逆过程,不仅存在着迟滞效应,甚至会出现特殊的流动分离模式以及相应的流动分离模式转换过程。接着,将直壁过膨胀SERN中的流动分离模式进一步向大膨胀比非对称推力喷管中推广,并针对影响过膨胀分离模式的关键因素进行详细讨论。在对大膨胀比最短长度设计喷管以及三次曲线设计喷管的数值模拟过程中,同样发现了在不同的喷管工作落压比条件下出现的RSS(flap)、RSS(ramp)以及FSS的流动分离模式,及其对应的流动分离模式转换。对于大膨胀比曲线膨胀面设计的喷管,外流马赫数对喷管过膨胀流场的影响更加明显。喷管的初始膨胀角和下壁面长度影响着喷管内的流动分离模式,而喷管长度影响更多的是喷管内流动分离模式转换发生的临界落压比。最后,给出了飞行器在Ma=8巡航,喷管兼顾低落压比和巡航状态,并选择在Ma=6工作状态的设计结果。通过数值方法,分别模拟了外流马赫数线性变化过程,以及真实的直接爬升路径中,喷管内出现流动分离模式转换的过程。结果发现:对于整个爬升阶段喷管中出现的流动分离模式及相应的流动分离模式转换形式,与外流马赫数线性变化所得到的结果类似,但分离模式转换时所处的外流马赫数却有较大差异。在实际的直接爬升路径中,流动分离模式转换会被推迟,但模式转换前后的分离流场模式并不受影响;外流马赫数的变化速率不会影响喷管中出现的流动分离模式的形式,但会影响分离模式转换的临界马赫数,以及分离模式转换前后喷管的性能。