管道流动中的声波传播行为研究在航天与航空领域都具有广阔的应用前景。超声波流量计的响应速度快、不接触流体、无运动部件等优势可以提升航天器的推进剂在轨管理水平,监控在轨加注等空间任务实施。管道噪声的精确预测与有效抑制可以提高航空发动机的工作性能,降低安全风险。本文对管道流动中声波传播过程的声场、流场以及温度场的多场耦合机理进行了深入的研究,建立了声波传播过程的多场耦合动力学模型,提出了基于Fourier-Bessel级数的求解方法。在此基础上,针对航天器的液体推进剂流量测量问题,提出了基于侧音技术的连续波流量测量方法,分析了超声波的流量测量性能;针对航空发动机管道噪声预测与抑制问题,详细讨论了发动机管路内噪声传播的动力学行为。论文的理论研究工作包括:首先,为求解声波传播过程中多场耦合动力学方程,提出了一种基于Fourier-Bessel级数的数学求解新思路。假设声波传播引起的流体扰动量在物理上有界且可积,可以利用Lebesgue空间中正交完备的Fourier-Bessel级数对扰动量进行形式化描述。通过Bessel函数特性,复杂的声波传播微分动力学方程组可以简化为齐次线性代数方程组。利用矩阵理论中的齐次线性方程组非零解存在条件,代表声波传播速度以及衰减的轴向波数可以通过简单的数值迭代方法进行求解。所提方法不对微分动力学方程进行附加约束,可以求解复杂的声波传播问题。该方法首先应用于无粘流体中的声波传播问题,对比分析了声波传播相速度的变化特征。其次,探讨了粘性流体中的等熵声波传播行为。等熵声波假设虽然属于理想情况,然而在以液体为背景的应用中,该假设被广泛接受。根据质量与动量守恒原理,推导了声波传播的动力学模型,得到了关于声波速度扰动的二元二次微分方程组,反映了声场与流场的耦合作用。采用Fourier-Bessel级数理论,给出了声波传播波数的迭代求解方法,并在数值上验证了该方法的有效性。详细分析了各种因素对声波传播相速度以及衰减系数的影响,包括管道半径、声波频率、流场类型、流体粘性以及管壁声阻抗。在此过程中分析了声波模式的截止频率问题,并给出了解析解法。最后,分析了热粘性流体中的非等熵声波传播理论,即考虑声场、流场以及温度场的多场耦合机理。虽然基于液体的应用可以采用等熵声波假设,当流体介质为气体时,显著的导热需要考虑声波传播的非等熵性质。当轴向温度梯度存在时,非等熵传播特性更加突出。非等熵假设同时考虑了粘性耗散与导热过程,可以更加准确地描述声波传播的物理机理。在非等熵假设下,需要考虑声场、流场以及温度场的耦合作用,数学推导包括质量、动量与能量守恒。在轴对称线性声波假设下,声波传播的多场耦合动力学方程表现为关于声波速度以及温度扰动的三元二次微分方程组。基于Fourier-Bessel级数理论给出了相应的求解方法并数值验证了计算收敛性问题。以典型液体为介质,分析了等熵与非等熵声波传播假设的区别,得到了低流速下两模型相似的结论;对比分析了轴向温度梯度对声波传播相速度以及衰减的影响。不同于粘性流体,热粘性流体中寻求声波模式截止频率的解析描述比较困难,本文针对该问题给出了数值解决方法。该方法也适用于无粘流体以及粘性流体中的声波传播行为。论文的应用研究工作包括:首先,提出了以侧音技术为基础的超声波流量测量理论,可应用于航天器液体推进剂的在轨实时测量。在传统的脉冲波测量体系中,超声波换能器工作的不一致性将导致系统测量误差。测量方法采用的平面简谐波理论没有考虑流体粘性以及导热行为,无法反映高阶声波模式的传播特性。根据声波传播理论提出了一种新的连续波流量测量方法。该方法采用侧音技术解决了连续波体系的整周期模糊现象,避免了超声波换能器频率的不一致导致的系统误差。采用锁相环技术实现了对传播相位差的高精度跟踪,保证了测量精度。其次,研究了以典型流体为介质的超声波流量测量方法的性能。在流量测量过程中,流体的物理参数(流体粘性与导热系数)、流场分布、温度变化、声波频率、管道半径以及管壁声阻抗都会影响流量测量性能。基于理论研究成果,详细分析了前四阶声波模式所对应的流量测量误差,对比了三种流体模型在三种不同流场类型中的流量测量性能。参数化分析了管道半径、声波频率以及流体粘性与导热系数对流量测量误差的影响,考虑了管壁声阻抗对测量性能的作用。此外分析了管道温度梯度对流量测量性能的影响。研究表明:随着流场平均马赫数的增加,流量测量性能的变化趋势表现复杂。流场剪切作用降低了流量测量精度,也改变了管壁声阻抗对流量测量的影响。声波频率以及管道半径加强了流场剪切作用的影响。流场的对流作用增加了流量测量误差,但变化规律较为简单。最后,基于热粘性流体中的声波传播理论,研究了以理想气体为介质的声波传播动力学行为。分析了不同管径下的声波传播相速度以及衰减系数的变化规律,对比了流场类型对声波传播行为的影响,讨论了不同声波频率下相速度与衰减系数的变化趋势,深入探讨了声波模式的截止频率问题。研究成果已应用于航空发动机管道中噪声的预测与抑制分析。本文以管道流动声波传播行为为研究对象,推导了一套较为完备的声场、流场以及温度场的多场耦合动力学模型,建立了以Fourier-Bessel级数为基础的声波传播多场耦合动力学方程的求解体系,并分别应用于航天器液体推进剂的流量测量以及航空发动机噪声预测与抑制的研究。本文的研究成果也可以推广到工业生产过程的管道流动监控、交通运输工具的尾气处理系统、生命科学的血管流动等管道流动相关现象,具有广阔的工程应用价值。