刘智刚， 杨晓军， 彭 捷，2

（1.中国民航大学航空工程学院，天津300300；2.西北工业大学力学与土木建筑学院，西安710072）

0 引 言

拉瓦尔喷管（又称收缩—扩张型喷管、缩放喷管）是一种典型的能量转换装置，气体在其内部流动过程中将热焓能转变为动能，最终获得超声速气流［1］。这种型面先收缩后扩张的管道在航空航天［2-3］、超声速风洞［4］、超细粉体制备［5-6］、轻工纺织［7］等领域得到了广泛应用。拉瓦尔喷管的工作原理是工程热力学、流体力学、气体动力学等能源动力类专业基础课程的重难点［8-9］，特别是背压对流动状态的影响由于参数烦多［10］，且涉及膨胀波与激波等抽象的气体动力学概念，学生普遍反映难于理解。开展拉瓦尔喷管气动性能实物实验对气源有很高要求，压强探针对流场有严重干扰，且用于观察激波现象的纹影仪［11］投入成本高，这些客观因素都限制了本科阶段相关内容实验教学的开展。基于计算流体动力学（Computational Fluid

Dynamics，CFD）开发了拉瓦尔喷管虚拟仿真实验项目，旨在借助CFD的可视化优势直观形象地展示拉瓦尔喷管内部流动过程和波系结构，帮助学生顺利掌握拉瓦尔喷管相关理论，使学生了解CFD分析流体流动问题的原理、步骤，激发学生的科研兴趣。

1 拉瓦尔喷管气动设计和数值仿真

1.1 拉瓦尔喷管气动设计

型面设计是拉瓦尔喷管气动设计的核心内容，设计参数见表1。将空气视为定比热容完全气体，认为流动过程是绝热的，并忽略壁面摩擦损失，即假设总温保持不变，而激波损失是造成总压下降的唯一因素。……