我国航运业正面临着非常严峻的节能减排形势,碳减排总量巨大。在船舶上,气体喷射器被广泛应用于海水淡化、余热回收等场合中,作为核心部件,增强喷射器内能量交换,提高其性能对提高船舶能效有着重要意义。目前,由于喷射器内流动复杂,不能直观的对能量交换进行分析,其发生的位置、强度大小仍然很不明确。因此,本文采用数值模拟与纹影可视化实验的方式,联系性能与流动针对能量交换过程进行分析,并尝试通过采用新型喷嘴增强喷射器内能量交换。具体研究工作如下:首先,在多工况、多尺寸下针对喷射器能量交换过程进行数值模拟研究。在模拟的喷射器中,能量交换主要发生在喷嘴出口激波链两侧的强湍流区内。不同工况下性能变化规律同强湍流区变化规律相吻合。进入亚临界状态时,背压对流动影响提前至混合室收缩段内,从而影响到强湍流区中的能量交换。不同工作压力下,能量交换同激波减弱关系更为明显。在结构尺寸上,等截面段长度对能量交换影响较小,但会增加下游能量损失,使性能变化不能反映能量交换变化。配合等截面段长度和喉嘴距后,喉嘴距达到4mm时引射比基本不变,激波链首个激波外侧强湍流区对能量交换影响较大。之后,通过纹影技术对喷射器混合室进行成像,从激波角度分析能量交换过程。实验发现,激波链中第一段激波强度最高,进入混合室后强度快速下降。改变工况时,工作压力影响较小,而随着引射压力上升,引射比增高,但能量交换能力会逐渐减弱。在改变结构时,存在使引射比最高的喉嘴距。不同工作压力下喉嘴距对引射比影响的差异较小。增大引射压力会使引射比最高的喉嘴距变大,激波链受到的压缩效应增加,两股流体间相互作用变强,使发生能量交换的区域更大。最后,设计了一种使用塞式喷嘴的气体喷射器以加强能量交换,并设计了参数一致的Laval喷嘴与其对比。全压力范围下,设计的塞式喷嘴喷射器基本都能获得更好的性能,真空用途中估算可以缩短真空时间约20%。在速度分布上,处于设计压力时其激波现象较弱,激波损失更小。高于设计压力时,塞式喷嘴消除了过膨胀工况下的流动分离。达到最大真空度时,塞式喷嘴喷射器射流膨胀相对较弱,真空度较低。在熵产率分布上,塞式喷嘴喷射器各个引射压力下均会产生较强的不可逆损失,这一不可逆损失可能是更强的能量交换所必需的。根据对熵产率组成的分析,同传热作用相比,耗散作用与能量交换有着更紧密的联系,是能量交换过程中不可逆损失的主要部分。在混合过程中,尽管塞式喷嘴喷射器激波较弱,但混合层的生长和能量交换均更强。