音速喷嘴目前已被广泛应用于石油、化工、节能、环保、航空和航天等领域。可直接用于天然气、氢气、蒸汽、空气等气体的流量测量,亦可作为气体流量的传递标准。在节能减排的大背景下,迫切地需要音速喷嘴在更宽的雷诺数和压力范围上保持较高精度和稳定性,本文以音速喷嘴最为重要的性能参数——流出系数Cd为研究对象,围绕喷嘴边界层发展以及凝结现象进行了深入研究,旨在推动音速喷嘴计量水平的提高。主要研究工作与所形成的成果及结论如下：1.研究了真实气体的实际临界流函数Cr*。以标准氢为例,提出了基于焓熵关系及Helmholtz自由能的真实氢气Cr*解析模型。采用牛顿迭代法求解并以数据表的形式给出在150 K≤T0≤600 K和p0≤100 MPa范围内的Cr*值。提出了基于进化思想的回归算法,获得了Cr*回归模型。再结合多维特性和边界层理论,给出了真实氢气的质量流量理论公式,并用Morioka高压氢气实验数据加以验证,成功地将音速喷嘴应用到氢能领域。2.在高雷诺数区,提出了考虑粗糙度的流出系数近似解法。建立了基于K-ε湍流模型以及壁面函数法的CFD模型。综合分析了粗糙度对流出系数的作用规律。发现在粗糙过渡区流出系数Cd开始逐渐降低,而在完全粗糙区,Cd不再随雷诺Red发生变化。此外,还发现粗糙度影响与喷嘴曲率半径Rc和气体比热容比γ呈正相关。最后建立了真实气体CFD模型,分析了高压条件下粗糙度对Cd的影响,发现真实气体粗糙度规律明显偏离于理想条件,并用比热容比劝口以解释。3.在低雷诺数区,从非粘性多维流动和层流边界层角度,证明了扩散段影响喷嘴流量的内在原因是边界层与核心流场的相互作用,并给出了扩散段对喷嘴流场及流出系数的影响趋势。结合CFD数值模拟和实验数据分析了扩散段影响。发现扩散段的影响区域主要在低雷诺数区,当扩散角θ=-1°、2.5°和6°时,流出系数受影响的雷诺数上限Reθ分别为2.0×104、1.1×104和2.8×103。最后提出了“等效临界流”的概念,用来提取真实喉部的状态信息。4.在低雷诺数区,分析了“热效应”现象的产生机理。利用热电偶测量了喷嘴管壁温度动态变化,证明了壁面温降真实存在,实验最大温降达13℃。提出了喷嘴层流热边界层相似性解,并与CFD结果进行对比。结果表明,流出系数与气体比热容比γ、喷嘴管壁和入口温度之比Tw/T0以及雷诺数Red有关。利用相似性解获得了当γ=1.4时管壁温度变化造成的流出系数变化率。实验对比发现：管壁温度每降低10 K,流出系数变化超过0.2%,需要引起重视。5.提出了适用于低压和高压条件的音速喷嘴白发凝结流动的Wilson点解析表达式。只需用户提供喷嘴的几何尺寸、入口温度T0、压力po和相对湿度Φ0,即可快速准确地获得Wilson点位置及相应状态。对比解析结果与实验数据,验证了该解析方法的精确度及可靠性。研究发现：随着喷嘴喉径d和曲率半径Rc的增大,虽然Wilson点绝对位置X变大,但对应的无量纲截面积A0却逐渐变小,因此Wilson点的膨胀率系数kp、过冷度△T口马赫数M等参数均降低。另一方面,随着入口过热度DT的增大,Wilson点向出口移动,无论是X还是A0均增大。6.从“瑞利流”角度出发,分析喷嘴凝结流动出现“热阻塞”和“非稳态自激振荡”的条件与原因。建立了音速喷嘴中含湿气体自发和非自发凝结流动的Eulerian双流体多维模型,从定常流动角度分析凝结对ISO类音速喷嘴流量的影响。CFD结果表明当相对湿度Φ0=95%时,自发凝结引起流量变化为-0.275%,这与实验一致。另外,当Φ0。较小时,可以从非自发凝结角度加以解释。分析了凝结非稳态“自激振荡”各振荡模式的形成机理。发现白激振荡频率f随着进口过冷度ATo的增大先降低再升高。而振荡幅值△p则与之相反。建立了动态温度预测模型和温度传感器补偿方法,提高了系统动态温度跟踪能力。建立了喷嘴沿程动态压力传感器,最后对实验数据进行了详细讨论。