空气在超燃冲压发动机燃烧室内的驻留时间一般仅为毫秒量级，如何在这么短的时间内实现燃料与空气的快速混合和充分燃烧是超燃冲压发动机面临的最根本的技术挑战之一。在超燃冲压发动机典型的飞行条件下，为了增加燃料的穿透深度，通常采用小口径高喷压比的方式喷注燃料，这会使燃料射流处于不同程度的欠膨胀状态。因此，揭示欠膨胀燃料射流的物理机理，有助于从流场本质上发展实现超燃冲压发动机内空气-燃料混合增强的方法。　　欠膨胀射流的流动结构极其复杂，流场中存在着激波、大尺度拟序结构，以及与声场的相互作用和相互影响。欠膨胀射流的流动特征时间较短，传统的纹影测量等实验手段还不足以捕捉流场的三维非定常特征。国际上已开展的这方面的数值研究大多采用雷诺平均方法，也主要给出流场的时间平均特征。本文正是在这样的背景下，借助所在课题组近期开发的超声速可压缩流动求解器astroFoam，采用大涡模拟方法对高度欠膨胀射流、欠膨胀氢气和乙烯射流、特征频率激励下欠膨胀射流，以及德国宇航中心(DLR)开展的超燃燃烧室支板欠膨胀氢气射流混合和燃烧等关键问题进行了系统和深入的研究，揭示了欠膨胀射流混合与燃烧的瞬态非定常特征，明确了其中的物理机理。本文结果可为超燃冲压发动机的燃料喷注、射流混合增强，以及点火和稳焰等设计提供理论指导。　　本文的主要研究内容和结论如下:　　一、全面综述了超声速欠膨胀射流混合与燃烧的国内外研究现状。推导了超声速可压缩流动大涡模拟的控制方程，详细介绍了EDC燃烧模型的基本原理和实现方法。介绍了开源C++函数库OpenFOAM的整体架构和程序思想，参与开发了相关的计算程序，并通过多个典型算例的计算和分析验证了该数值模拟平台的可靠性和准确性。采用特征尺度计算的方法，得到了在典型飞行条件下，以氢气、乙烯，以及煤油为燃料的超燃冲压发动机的工作范围，并讨论了火焰面模型在超燃大涡模拟计算中的适用性。　　二、采用大涡模拟方法对射流喷压比(NRP)为5.60、7.47、9.34和11.21的高度欠膨胀射流问题进行了三维数值研究。(1)揭示了欠膨胀射流法向截面上的瞬态分布特征，发现流场和声场呈螺旋分布，并且成顺时针、逆时针旋转交替变化。(2)考察了流向速度和氮气质量分数沿径向的分布，发现欠膨胀射流下游呈现出类似低速不可压缩射流的自相似特性。(3)定性和定量的揭示了射流的失稳过程和主要特征，通过涡动力学方程分析发现涡拉伸项依然是射流失稳的主导因素。(4)通过频谱分析定量的揭示了射流的主不稳定模态，发现在四个喷压比下射流的主导模态都是相位差接近180°的单螺旋模态。但在高喷压比下，波数更大、频率更高的螺旋模态的作用显著增加。(5)采用螺旋性直观显示了射流剪切层的主不稳定特征，发现当NPR=5.60和7.47时，射流剪切层呈现出由两个单螺旋叠加而成的1+1螺旋线结构，在高喷压比下，双螺旋作用的增加使得射流剪切层呈现出更加复杂的多重螺旋线结构。(6)考察了网格分辨率和亚格子应力模型对LES分辨射流主不稳定模态的影响，发现数值结果更依赖于计算网格。(7)基于高时空分辨率的LES计算首次揭示了马赫桶内小尺度的胞格结构，并通过数值手段定量的考察了欠膨胀射流的激波振荡现象。(8)揭示了高度欠膨胀射流的二声源特征，给出了欠膨胀射流Mach波的真实分布图景。　　三、采用大涡模拟方法研究了喷压比NPR=5.60的高度欠膨胀氢气和乙烯射流的流动特征。(1)通过和相同喷压比下氮气射流结果进行对比分析，考察了不同燃料射流流场的非定常演化，发现欠膨胀C2H4和N2射流的流场时间演化和主要特征基本一致，H2射流流动发展较快，但其质量分数在径向方向上的分布范围较窄。(2)探讨了燃料物性对欠膨胀射流激波结构的影响，发现与C2H4和N2射流相比，H3射流核心区更长，激波胞格结构也较多。(3)研究了相同喷压比下不同燃料射流的主导频率和主不稳定模态，发现C2H4和N2射流的主模态均是单螺旋模态，H2射流的主模态则是轴对称模态。此外，发现C2H4与H2射流的主频率分别是N2射流中的低频和高频频率。　　四、采用大涡模拟方法研究了特征频率激励下欠膨胀射流的流动特征。(1)通过和定常射流结果进行对比分析，考察了频率激励对射流穿透特性的影响，发现高频频率fe=14.569kHz、37.086 kHz、40.0 kHz，以及45.695 kHz激励在湍流转捩阶段显著影响射流结构，并提高射流穿透速率，其中尤以fe=14.569kHz和40.0 kHz时为显著。(2)研究了频率激励对射流核心区的影响，发现在高频激励下，射流核心区缩短，其中以fe=45.695 kHz时最短。高频激励也使得激波胞格数目减少，而且喷嘴附近的波系结构发生了大尺度的变形，在这其中，当fe=14.569 kHz时激励射流马赫桶的变形最大。(3)考察了频率激励对射流混合特性的影响，发现在8≤y/D≤12范围内，高频频率fe=14.569kHz、40.0kHz，以及45.695kHz激励显著提高了混合面积，其中尤为突出的是fe=14.569kHz的轴对称模态激励。在射流下游y/D≥18，高频激励反而减小了混合面积，但从y/D=24开始，低频fe=1.0kHz激励射流的混合面积大于定常射流，并且这种趋势一致向下游延伸。(4)研究了频率激励对射流主导频率和主不稳定模态的影响，发现当fe=1.0kHz时，激励射流只有一个主导频率f=37.003kHz，略小于定常射流的啸叫频率，其主模态依然是单螺旋模态。在其他高频激励下，射流的主导模态全部是轴对称模态，其主导频率均转变为对应的激励频率(40.0kHz除外)，激励射流的频谱图上也存在着激励频率的高阶谐频，其中以fe=14.569kHz时高阶谐频的数目最多。　　五、采用大涡模拟方法研究了DLR超燃发动机燃烧室中支板欠膨胀氢气射流混合及燃烧过程。(1)将数值计算结果与实验测量进行了详细的对比分析，本文LES计算捕捉到了混合和燃烧流场的主要特征，并且与实验测量结果符合较好。(2)研究了混合流场的非定常特征，以及复杂的激波/涡相互作用等动力学过程，发现氢气射流和来流剪切层上由于K-H不稳定性形成的二维展向涡促进了氢气射流和空气来流之间的混合，并使得在支板后缘拐角处形成了弱激波。(3)研究了燃烧流场的非定常特征，探讨了二维展向涡的生成、输运机理，以及其对燃烧的影响。发现在燃烧流场中，剪切层不再向中心线并拢，这使得剪切层上由于K-H不稳定性产生的涡相对较小，氢气射流在法向方向上的穿透深度也相对较小。燃烧流场中存在着一个大尺度的回流区，将下游的高温燃烧产物向喷孔附近输运，对氢气和空气进行预热，促进了燃烧反应的进行。(4)揭示了燃烧反应区的分布特征，发现OH自由基、O自由基、温度，以及释热等的空间分布基本一致，主要位于剪切层上的贫燃料区。而H自由基主要分布在支板后的尾迹流中，和氢气质量分数的分布比较接近，但受当地温度的影响很大。(5)探讨了化学反应机理对燃烧流场的影响，发现采用一步反应机理可以定性的捕捉到燃烧流场的主要特征，但定量上它可能对大尺度回流区的强度、燃烧释热程度、流场温度、剪切层上小尺度涡的数量，以及流场中的压力脉动等有过高的估计。