在节能减排、安全监控、国防军工和科学研究等诸多领域,气体流量测量发挥着至关重要的作用,测量准确度的实现及保障是其核心问题。音速喷嘴结构简单、计量性能稳定,不仅可作为流量计直接测量气体流量,亦可作为传递标准表标定其他类型的流量计。本文以音速喷嘴为研究对象,聚焦其关键计量特性参数——流出系数,通过理论分析、数值模拟和实验测量,提出了基于宏观表面结构测量的非实流标定流出系数计算方法,接着分析边界层转捩与湍流特性,以相对最大粗糙度为评价指标,明确了流出系数计算方法的约束条件,最后研究了音速喷嘴“热效应”特性的温降凝结与流-固-热耦合现象对其计量特性的影响,有效提高了复杂工况条件下流出系数计算方法的准确度。主要研究工作与结论如下:1)基于音速喷嘴流出系数的理论计算式和实验标定结果,明确了影响其流出系数的关键特征参量,揭示了整个边界层状态内音速喷嘴流出系数与喉部雷诺数间的变化规律。基于多维核心区的无粘流出系数及边界层区的粘性流出系数模型,推导得到了层流边界层非绝热壁面条件下流出系数的计算式,提取了表面结构与热效应特性等关键特征影响参量。通过对p VTt法流量标准装置测量过程中进气时间、附加质量及泄漏量等性能参数的严格控制,实现标定流出系数的不确定度为0.08%～0.10%（k=2）,并通过国际比对结果验证了装置的测试能力。在该标准装置的基础上,完成21支不同喉部直径音速喷嘴流出系数的实验标定,结果揭示了整个边界层状态内（层流、转捩和湍流边界层）流出系数随喉部雷诺数的变化规律,为开展基于表面结构和热效应的音速喷嘴流出特性研究提供了理论支撑和实验基础。2)提出了基于音速喷嘴宏观表面结构参量测量的非实流标定流出系数的计算方法。利用三坐标测量仪得到了音速喷嘴的宏观表面结构参量,综合考虑测试效率和准确度,明确了喉部直径、曲率半径、圆度和波纹度等各参量的测试程序和评价准则。基于该测试程序和评价准则,利用有效的喉部直径和曲率半径,并结合滞止温度、压力和物性参量,即可不经实流标定就可准确获得层流边界层内音速喷嘴的流出系数,其准确度可达0.11%,对比计算结果与实验数据,验证了该计算方法的准确度及可靠性,显著提高了较小雷诺数与曲率半径时流出系数的预测准确度。3)分析了音速喷嘴介微观表面结构对边界层转捩与湍流特性的相互作用机理,明确了流出系数计算式的约束条件。利用高精度表面粗糙度仪,提取了不同喉部直径音速喷嘴的介微观表面结构参量,指出了最大表面粗糙度可作为评价当量粗糙度的指标。基于SST（Shear-Stress Transport）转捩模型,分析了不同相对当量粗糙度下边界层发展与转捩机制,进一步明确了边界层转捩起始和结束位置,构建了相对当量粗糙度与喉部边界层转捩起始雷诺数间的反比例关系式,确定了流出系数计算方法的约束条件。首次定量研究了波纹度对音速喷嘴边界层位移厚度影响,进一步完善了音速喷嘴介微观表面结构的影响参量。4)阐明了音速喷嘴“热效应”特性的温降凝结与流-固-热耦合现象对其计量特性的影响。基于多参数可调凝结实验装置、压力传感器阵列和数据处理方法,捕获了两相含湿气体通过ISO类和非ISO类音速喷嘴发生温降凝结现象时的典型压力特征,揭示了滞止参数对凝结发生条件、位置、压力振荡频率和强度以及边界层位移厚度的影响机制。基于热电偶温度传感器阵列系统、非绝热边界层方程相似解与非稳态流-固-热耦合模型相结合的实验、理论和仿真方法,运用改进的插值算法,重构并可视化了音速喷嘴温度场、流场与应力应变场的演化机制,量化了流-固-热耦合现象中热边界层厚度和约束热变形对流出系数的影响,有效保障了复杂工况条件下音速喷嘴流出系数计算方法的准确度,进一步拓宽了其在小雷诺数下的应用范围。