固体火箭发动机在水下的工作过程本质上为水下超音速气体射流,燃气经过喷管加速达到超声速,喷射进入液相环境,与液相剧烈掺混。该过程涉及到激波的运动、气液边界运动演化、气液两相界面的不稳定性等。由于固体火箭发动机的水下射流过程具有超高温高压的特点,涉及换热相变等多个物理过程,是一种十分复杂的气液两相流。随着对推力需求的增加,大扩张比喷管越来越广泛使用于火箭发动机,而扩张比增加会大大增加流场结构变化的复杂性;由于火箭发动机工作水深不断增加,由水深导致的环境压力变化会严重影响发动机工作特性。因此,研究扩张比与水深对发动机水下射流推进的影响具有十分重要的意义。本文建立了基于ANSYS-FLUENT的数值计算二维轴对称模型,根据燃烧室温度与压强经验变化曲线,采用UDF方法定义发动机喷管入口边界条件,运用VOF方法追踪气-液两相流的相界面迁移过程,计算了两种扩张比喷管在不同水深的超音速气体射流。根据计算结果描述了射流发展阶段与流场结构的发展过程,得到了流场特性与推力特性的变化规律。结果表明,射流包含初期膨胀时期与周期性变化时期段,周期性变化阶段由颈缩、胀鼓、回击三个典型阶段组成,表现为形态上周期性变化、压力场、速度场等出现循环振荡。本文结合激波运动,对流场结构与推力特性的周期性变化现象给出解释:各阶段的形成原因与水环境的挤压、涡流剪切作用、射流气体膨胀等相互作用相关;通过研究流场结构变化对激波运动的影响机理,给出推力及其分力的周期性变化规律;通过对比两种扩张比的流场结构与推力特性,分析了扩张比增加对流场周期性变化程度、推力振荡频率与幅值的影响,结果表明扩张比减小可以减小推力振荡频率、减小负推力,有助于改善推力特性;通过对比两种水深的射流过程,分析了环境压强对射流贯穿距、周期性特征的影响规律,结果表明水深越小射流轴向贯穿距与径向膨胀尺寸减小、周期长度减小、在初始膨胀时期出现背压峰值、推力基本不随周期性变化而仅与入口温度压强有关。