本文以超声速后缘突扩凹腔燃烧室中的气体流动和燃烧为研究背景,综合采用CH*基/OH*基自发辐射、火焰高速摄影、高速纹影以及壁面压力测量等实验观测手段并应用聚能火花塞和激光诱导等离子体两种强迫点火方式,同时基于OpenFOAM计算平台开展了冷流和燃烧流场数值仿真计算,系统研究了超声速后缘突扩凹腔燃烧室中的燃料输运及混合、强迫点火、火焰稳定等过程,进一步揭示了超声速流动和燃烧过程机理。首先,本文基于OpenFOAM计算平台提出了一种超声速湍流燃烧大涡模拟方法,详细介绍了自行开发的密度基可压缩多组分气相燃烧求解器scramjetFoam及其选用的部分搅拌器化学反应PaSR模型,并通过超声速支板燃烧DLR算例验证了scramjetFoam求解器模拟超声速流动和燃烧问题的有效性,为下文开展超声速后缘突扩凹腔燃烧室中的流动和燃烧过程数值计算提供技术支持。其次,采用上述大涡模拟方法对燃料喷注方案和凹腔构型对超声速后缘突扩凹腔燃烧室中的燃料输运及混合过程的影响进行了分析。发现凹腔上游燃料喷注距离的不同会对燃料的流动输运过程带来显著差别,但并不会显著改变流场中的混合效果。采用凹腔上游串联式燃料喷注方案时,燃料会更多的分布在主流超声速区域,并且通过两股燃料射流的相互撞击会在燃烧室内起到显著地混合增强作用。而采用凹腔上游并联式燃料喷注方案时,燃料则相对更多的分布在凹腔内亚声速区域,在凹腔内部聚集形成一个局部富燃区域。随着凹腔后壁面高度的降低,流过凹腔前缘膨胀波后的气流垂直方向速度明显升高,会有更多的燃料卷吸进入到凹腔内部,进而使凹腔内部环境变得更加富燃。此时存在一个使凹腔内燃料质量最大的优化凹腔构型,这个优化的凹腔构型的突扩率约为0.4。接着本文对超声速后缘突扩凹腔燃烧室中的强迫点火过程开展了试验研究。提出了利于强化点火的优化凹腔上游并联式燃料喷注方案以及优化凹腔后缘点火位置,分析了凹腔构型对点火过程的影响,辨析了初始火焰的三维传播路径及点火过程中热环境和化学环境的相互作用机制。总结归纳了强迫点火过程中的特征现象并归纳为四个阶段,分别为等离子体点火阶段、等离子体猝熄阶段、再点火阶段和稳定火焰阶段。观测到在后缘突扩凹腔强迫点火后,初始火焰在凹腔内首先会呈现出一个先减弱再逐渐增强的初始火焰沉寂过程,对应着等离子体猝熄阶段。随后在初始火焰传播到凹腔外以后,在初始火焰内还存在反应释热区回传现象,而且这种反应释热区回传现象随着燃料喷注当量比的升高而越发明显,对应着再点火和火焰稳定阶段。明确了凹腔回流区对点火过程的重要作用并提出增加点火能量和燃料喷注当量比都是实现可靠点火的有效方式。同时揭示了普遍存在的两种点火模式及其机理,即点火过程在凹腔回流区辅助下完成的弱点火模式,以及点火过程由强烈初始火焰主导的强点火模式,在弱点火模式和强点火模式之间还普遍存在过渡点火过程。此外,基于冷态流场数值仿真结果,提出在凹腔底壁上方且在亚声速区域以内是实现可靠点火的必要因素。论述了优化的凹腔后缘点火位置具有相对富燃的燃料分布条件以及相对适宜的湍流流动条件。基于采用乙烯复杂化学反应机理条件下开展的点火过程数值仿真结果,发现在强迫点火源作用过程中,诱导产生的活化基团相比于高温热环境将发挥更为主导的点火强化作用。最后,针对超声速后缘突扩凹腔燃烧室中的火焰稳定过程开展了试验和数值仿真研究。论述了后缘突扩具有的防热壅塞构型优势,分析了凹腔构型对火焰稳定过程的影响。发现对于采用凹腔上游燃料喷注方案的后缘突扩凹腔燃烧室,火焰稳定模态通常表现为凹腔剪切层火焰稳定模态,随着当量比的增加会转变为联合凹腔剪切层回流区火焰稳定模态,但几乎不会出现凹腔辅助的射流尾迹火焰稳定模态。提出了利于火焰稳定的优化凹腔上游串联式燃料喷注方案,并揭示了火花塞等离子体能够起到明显的促进燃烧作用。