超声速混合层燃烧是超燃冲压发动机燃烧室中典型的流动与燃烧形态。因此,开展三维空间发展超声速混合层燃烧直接数值模拟,认识超声速混合层燃烧中的涡结构、激波波系和火焰形态的演化以及混合效率和燃烧效率的变化规律,具有重要的学术意义和工程应用价值。主要研究工作及其结论包括:提出了超声速有反应混合层设定入口条件的相容性方法,基于耦合详细反应机理的多组分NS方程和能同时分辨涡结构与激波的五阶紧致-WENO混合格式,实现了三维空间发展空气/氢气超声速混合层燃烧的直接数值模拟。验证算例表明:预测的剪切层增长率及湍流应力与已有文献结果一致。针对六种来流空气温度,研究了超声速混合层燃烧中流动、热力学和组分参数的瞬态特性,获得了涡、激波和火焰等典型结构的形态,并进行了综合分析。结果表明:随着来流空气温度增加,超声速混合层经历了无燃烧、靠近出口预混燃烧、大区域预混燃烧与下游扩散燃烧、小区域预混燃烧与下游扩散燃烧这四种燃烧模式的转变;不同燃烧模式的释热区域和强度不同,诱导出不同的激波结构,导致流动、热力学和组分参数不同的空间分布形态。针对来流空气温度为1319K的超声速混合层燃烧过程,研究了涡、激波和火焰等结构的演化。结果表明:涡演化经历了展向涡、（43）涡、发卡涡和细长涡等阶段。火焰演化经历了局部着火及初始着火区的对流、变形和传播等过程,并在局部存在熄火。激波演化经历了从无到有、由弱变强的过程,且先出现斜激波,再出现正激波;形成完整的波系结构之后,激波面位置随时间在流向振荡。获得了超声速混合层燃烧的速度、温度、压力、密度和组分质量分数等五类参数的一阶矩以及脉动速度相关函数、脉动组分质量分数相关函数、脉动温度-速度互相关函数和脉动温度-组分质量分数互相关函数等二阶矩,并获得了涡量厚度、混合效率和燃烧效率的流向变化规律。结果表明:这些一阶矩和二阶矩的分布与燃烧模式和燃烧释热及其诱导的激波波系相关。涡量厚度和燃烧效率的增长率与燃烧模式有显著关系,而混合效率增长率主要受来流条件和燃烧释热影响。超声速混合层燃烧的瞬态、时均及宏观特性的认识,对超燃冲压发动机燃烧室实现高效混合、可靠点火与稳定燃烧具有重要意义。