复合结构喷管广泛用于中大口径的固体火箭发动机,其热防护问题备受各国关注。本文针对复合结构喷管烧蚀传热问题,编制复杂型面的耦合传热计算程序。从传热的角度,系统探讨了复合结构喷管中烧蚀引起的型面变化对喷管内流场的影响,尤其是烧蚀台阶的产生对喷管流场以及壁面传热的影响,为复合结构喷管的热防护设计与优化提供重要的参考。本文主要工作如下:一、发展了一套求解复杂型面耦合传热问题的求解器,流体和固体区域都采用Navier-Stokes方程进行求解,省去两套不同程序甚至第三个数据传输程序的编写,提高效率。采用直接耦合方式保证流/固界面上的能量守恒,即在流/固界面上施加共同温度边界条件。湍流模型可选用S-A和k-ω SST湍流模型,在数值求解方面,N-S控制方程采用基于网格格心的有限体积法求解,无粘通量采用Van Leer格式、Roe格式和AUSMPW+格式进行计算,界面的重构采用NND、3阶迎风偏斜、3阶MUSCL三种方法,粘性通量的计算采用Jocabian变化计算。在时间推进上,采用3阶三步TVD型Runge-Kutta、LU-SGS隐式算法、LU-SGS隐式双时间步算法。二、选用大量的经典流体和固体导热算例验证了所编制程序在单独求解流体问题和固体导热问题的正确性和可靠性。针对复杂型面下难以建立流/固界面正交网格的问题,提出了一种基于坐标变换思想计算流/固界面处共同温度的方法,通过计算并进行误差分析,证明了该耦合传热方法在空间上具有二阶精度。然后,通过三个工程算例检验了本文所提出的耦合传热方法在实际复杂边界模型上的应用,通过对比仿真结果和试验数据发现,所发展耦合传热算法能够准确可靠的求解复杂型面耦合传热问题。三、利用光栅扫描技术制定了一种喷管烧蚀的精细化测量方案,对沿中心线剖开的烧蚀喷管进行扫描,获取内表面数据点云,根据编制的数据重构程序,完成烧蚀前后喷管内型面数据点匹配,最终获得喷管内型面三维烧蚀图谱。得到了喷管烧蚀后的型面,沿轴向和周向的烧蚀速率分布等详细的烧蚀信息。结合重构结果,分析了喷管内表面不同烧蚀现象产生的原因,重点解释了喷管内的两个烧蚀台阶的成因。四、采用电镜扫描获得了喷管表面的微观结构,石墨和高硅氧酚醛表面都覆盖有蓬松的物质,为包覆层燃烧后的冷却产物。烧蚀后,石墨表面较为光滑,而高硅氧酚醛表面出现了纤维基体分离、产生了孔隙、孔洞等烧蚀现象。建立了石墨的热化学烧蚀模型,研究了石墨烧蚀的控制机理在非稳态烧蚀过程中的转换。五、为了研究烧蚀引起的型面变化对喷管工作性能的影响。建立了两组模型,第一组模型以测得的喷管烧蚀率为基础,反演出喷管烧蚀过程中出现的两个不同状态,只对喷管流场进行计算,计算发现,烧蚀引起的形貌改变对喷管内流场结构产生的影响主要集中在扩张段,此处烧蚀台阶附近产生了激波,对扩张段内流场结构产生了显著影响,第二组模型为耦合传热计算模型,以烧蚀前后测得喷管型面为基础,建立耦合传热物理模型,计算发现,扩张段内烧蚀台阶附近当地热流密度较高,表明台阶的出现加剧了当地的对流换热。在收敛段内的烧蚀台阶附近,石墨的烧蚀量异常大,机械剥蚀可能是造成这种现象的原因。