超声速、高超声速内流场设计是目前需求迫切却难以解决的问题,其中不仅涉及激波、附面层及其相互作用的复杂物理机理,在数学上对应的三自变量双曲型偏微分方程组的数值求解问题同样面临着诸多困难。本文结合残差修正的数学概念和超声速流场的本质特征,提出一种特征线追踪方法并进行实验验证,旨在解决全三维超声速粘性流场的设计问题,减小流道流动损失、避免复杂激波干扰问题、提升气动性能。详细阐述了特征线追踪方法的相关概念、基础理论以及设计中使用的CFD求解器,系统研究了该方法的残差修正模型和数值算法,并提出相应的粘性处理技术,使该方法能够直接应用于超声速粘性流场的设计。将特征线追踪方法应用于二维超声速喷管(出口马赫数为3.0)和转弯流道(轴线马赫数均为2.0)的设计,在给定流道中心线上马赫数分布的前提下,分别设计得到了无粘流动和粘性流动条件下的相应型面;所设计的超声速喷管在菱形试验区内获得了品质较高的流场,转弯流道成功实现了超声速粘性流动的无激波转弯;按照设计的粘流型面加工喷管实验件,通过纹影实验拍摄流道内流场结构,与数值模拟结果相一致。把特征线追踪方法推广到三维超声速流场的设计,结合流道的几何特征,提取参考平面并在其上追踪特征线,以取代求解三维马赫锥的复杂过程,分别设计了矩形截面流道、方形入口转圆形出口流道以及圆形入口转方形出口流道,获得了流动均匀的菱形试验区,实现了由给定的流场参数分布设计全三维超声速流道的型面。对特征线方法的数值特性进行研究。阐述并分析了特征线方法在设计中遇到的问题及解决方案;给出了轴线马赫数分布的确定方法;验证了网格量的大小、静网格与生长网格、追踪步长的大小以及追踪方式对超声速流场设计精度的影响,为特征线追踪方法中相关参数的选择提供了标准。