拉伐尔喷管作为核心部件被广泛用于蒸汽涡轮机、喷气发动机、超音速喷涂、无针注射、灭火器等装置,其设计质量将对装置性能产生决定性影响。本文针对超音速喷管内气体与颗粒相互作用时复杂两相流问题,开展气固相间耦合模型构建、数值计算与求解方法设计、两相流特性参数数值分析,充分认识两相流行为、准确捕捉物理本质、系统掌握参数影响规律,为相关装置的设计和运行提供理论支撑。本文主要工作及结论如下:采用平板湍流边界层修正模型,考虑壁面摩擦和换热影响,建立了超音速喷管内气体单相准一维流动数理模型,在对方程组矢通量分裂基础上,采用有限差分方法对其变体形式进行离散,以等熵流场为初始条件,引入喷管入口约束条件,对超音速喷管内气体单相流动进行了模型常数标定、准确性验证和参数分析。采用欧拉-拉格朗日方法,考虑气体与颗粒相互作用以及颗粒间碰撞的影响,建立了气固两相四向耦合准一维流动模型,在气体单相流数值方法基础上,以气体单相流收敛解为初场,限定喷管入口两相质量流量比,利用颗粒运动和能量方程对颗粒相数据进行更新,并以“源项”形式及时反馈到气相方程中去,实现气相与颗粒相之间的耦合,数值分析了颗粒直径、喷管半扩张角、进口总温、进口总压以及壁面温度等参数的影响规律。数值计算结果表明,气体单相流和气固两相流数值模拟分别与先前的实验和数值模拟吻合得很好,验证了本文数理模型、数值计算与求解方法的有效性。超音速喷管内气固两相流动计算结果表明,颗粒直径增大时,出口气体流速和颗粒温度增大,出口气体静温和颗粒速度减小;喷管半扩张角增大时,出口气流速度、颗粒速度和马赫数增大,而静压减小;进口总温提高时,出口气体速度和颗粒速度显著升高,但马赫数会减小;进口总压提高时,气流速度、颗粒速度和马赫数都增大;壁面温度升高时,出口气流速度、颗粒速度和马赫数均减小。本文创新点:(1)从平板湍流边界层模型出发,考虑喷管通道几何结构对边界层的影响,提出喷管湍流边界层修正模型。(2)引用欧拉-拉格朗日方法中计算粒子概念,设计了网格单元体内计算粒子数统计策略和计算粒子位置处流体参数高阶插值方法。(3)结合气相方程矢通量分裂,五阶WENO内点空间离散,三阶边界点差分构造,三步三阶TVD Runge-Kutta时间积分,建立了一套稳定高效的数值计算方法。