发动机燃烧产生并经喷管加速形成超音速的喷焰，高温高压的喷焰会向空间辐射出 强烈的红外能量，这种喷焰的红外信号特征被广泛应用于火箭动力目标的探测、跟踪及识别。在稠密大气层内，燃气射流与大气相互掺混形成复燃效应，是一种高温湍流的多组分、多粒径耦合化学反应的两相流；在稀薄过渡流及高真空区，燃气射流呈现“羽流状”的多组分热力学非平衡的两相流动形态；跨流域的发动机喷焰/羽流，燃气的高温振-转跃迁而发射出特定波段的光辐射，稀疏粒子群的吸收、发射和散射效应，对其辐射的定量描述具有很强的工程意义。

本文以连续流域的发动机两相喷焰、稀薄流域的发动机两相羽流以及跨流域发动机非定常工作状态下的动态喷焰/羽流为研究对象，旨在建立一系列发动机喷焰/羽流涉及的从稠密连续流到稀薄自由分子流，从化学非平衡到热力学非平衡，从定常到非定常的流动与辐射计算模型与工具，并通过文献数据校验分析模型算法的适用性，研究了不同状态下发动机喷焰/羽流流动及辐射的演变过程。论文主要工作可以概括为如下四个方面：

（1）基于纳维尔-斯托克斯方程的多组分流动控制方程，引入多步详细化学反应机理模型描述多组分间的复燃效应，发展了适用于可压缩的稠密大气环境下气-固两相流能量方程，结合质量、动量方程，建立多组分燃气-多粒径的颗粒群的高温化学反应效应下喷焰流动计算模型；建立结合NASA-SP-3080数据库的多组分燃气的统计谱带方法，计算燃气的辐射物性参数，以稀疏粒子群描述喷焰的高温颗粒物，采用米散射方法描述多粒径的固体颗粒群吸收、发射和散射效应，结合视在光线法描述多组分、多粒径气-固两相喷焰的辐射传输效应。数值分析了不同化学反应机理对喷焰流动的影响，并校验了双向耦合气-固两相喷焰流动与辐射模型的正确性，数值研究了不同海拔高度下发动机两相喷焰流动与辐射变化规律，发展了一套基于正侧向辐射光谱数据快速解析计算其它视向角下数据方法，研究了发动机喷焰的红外辐射强度随视向角变化规律，为发动机喷焰红外辐射特性的工程应用提供了一种新的高效算法。

（2）发展了喷管内部及出口附近的二阶滑移边界的纳维尔-斯托克斯方程描述方法，建立轴对称多组分分子的直接模拟卡洛算法，在算法中计算多原子和双原子分子的平动能、转动能和振动能转化实现对非平衡羽流流动的准确计算，引入随机轨道颗粒模型计算多粒径离散相颗粒物流动特征，具备对喷管出口以及近过渡流、远场稀薄流的大尺度、非平衡两相羽流模拟能力；在此基础上，改进发展了多组分、两相的高真空羽流预估模型。利用文献数据校验了相关模型的适用性，数值研究了发动机总温、总压，自由来流密度、速度四个核心参数对稀薄环境下羽流流动的影响规律，发现利用分离波线结合自由来流激波线和射流激波线即可实现羽流无量纲化描述；数值研究了稀薄环境下多组分气-固两相羽流流动特征。

（3）在统计窄谱带模型及辐射传输过程中引入稀薄环境下燃气急剧膨胀致非平衡、组分分离效应直接蒙特卡洛描述，建立大尺度计算域内多组分分子的多温描述，修订燃气组分的光学厚度表征方法，推导了多组分非平衡温度及多粒径颗粒物温度状态下的辐射传输方程，发展了一套适用于稀薄环境下发动机羽流红外辐射计算代码，利用文献数据校验了模型的有效性，高空燃气羽流的稠密区，发展模型与统计谱带模型基本吻合，在稀薄效应显著的区域，如激波层区、羽流下游远场区等，本模型典型波段区间误差达40%。在此基础上，数值研究了发动机总温、总压，自由来流密度、速度四个核心参数对稀薄环境下羽流辐射的影响规律以及气-固两相羽流辐射特征。

（4）建立瞬态的稠密大气层内发动机多组分喷焰流动模型及瞬态的稀薄环境下发动机多组分羽流流动模型，数值研究了发动机喷管出口至形成稳定喷焰/羽流演变过程中动态的流动与辐射；针对发动机喷管出口的状态参数波动，数值研究了出口温度、出口压强以及出口流量恒定等状态下波动导致的发动机喷焰流动与辐射的波动与变化规律，研究了出口参数正态波动对应喷焰辐射波动规律；结合对数值算法、绕流场解析方法以及运动学方程提出了一种兼具流动仿真和辐射计算的方法，仿真分析了发动机级间分离过程计算中时间步长对时变分离间距的影响，证明此方法可以有效计算分离过程的运动，研究发现了发动机级间分离过程中红外辐射的增强效应。