激波风洞是开展高超声速空气动力实验的重要设备,广泛应用于高马赫数和高雷诺数条件下的气动力/热实验研究。高超声速喷管是形成激波风洞实验流场的关键部件,决定着实验气流的品质。本文在0.6米激波风洞试验平台改造的背景需求下,开展了马赫数8喷管设计与数值计算研究,为扩展该风洞马赫数运行范围和改善流场品质提供支持。主要研究内容包括:(1)采用特征线理论加边界层修正的方法设计了马赫数8喷管型线。喷管膨胀段的型线设计基于Sivells方法,壁面边界层修正基于Edenfield方法,在这两种方法基础上,根据激波风洞高总温、高总压的运行特点,考虑了气体非完全效应的影响。喷管收缩段型线设计采用移轴的维托辛斯基(Witoszynski)公式。整个设计过程采用Fortran语言编程实现。(2)为检验所设计喷管的内流场均匀性和出口流场品质,使用CFD软件在设计工况下对喷管流场进行了数值模拟。对CFD计算中所选用的气体模型、湍流模型等具体方法,利用激波风洞现有喷管的实验校测数据进行了可靠性验证。CFD计算结果表明,喷管内气流膨胀均匀,出口马赫数达到设计值,出口流场品质优于激波风洞流场品质标准的要求。(3)结合喷管加工、装配以及在风洞中实际使用情况,针对喷管壁面容易出现的缺陷特征进行了CFD数值模拟,分析了管壁缺陷对喷管流场品质的影响。本文考虑了两类缺陷,一是需要经常更换的喷管喉道段与下游喷管的之间容易出现的顺向或逆向台阶,二是喷管分段加工再组装以后在连接处存在的微小凹槽。CFD计算结果表明,喉道段末端台阶形成的干扰,对喷管的内流场均匀性和出口流场品质影响较大,这种台阶在工程实际中应特别注意;喷管分段连接处的微小凹槽,在一般的工艺控制条件下,其扰动的影响范围较小,不会损害喷管的整体流场品质。