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随着人类文明的进步,人类活动的范围越来越广。新一代远距离民用航空运输工具的发展,有赖于高效、清洁的超音速燃烧装置的设计。随着计算机技术的发展,数值模拟已经成为了进行科学研究的重要手段,并且有着高效率、低成本的优势。随着大规模并行计算机的快速发展,用直接数值模拟(DNS)方法研究超音速燃烧问题已经具有了可行性。DNS方法可以求解细微的湍流尺度和火焰尺度,能够为深入理解超音速燃烧中的复杂物理现象提供帮助,为RANS或者LES中使用到混合和燃烧模型的验证和发展提供支持。本文对三维超音速湍射流火焰进行了直接模拟(DNS)研究。首先,本文改进了三维耦合的特征边界条件,推导了三维的可压缩反应流特征体系,并结合详细的热物性、传递物性参数、有波带优化性质的WENO格式和八阶中心差分格式,发展出了计算超音速湍流燃烧的高精度直接数值模拟算法,开发了适用于大规模并行的计算程序。其次,作者使用本文开发的程序,对一维预混火焰、一维激波管问题、二维风洞中的超音速台阶流、二维涡与正激波的相互作用、三维球形激波、三维射流进行了计算,并和收敛解、经典解或者实验数据进行了对比,证实了本算法对细微火焰尺度、激波结构、湍流问题等有着高精度的计算能力。使用本文发展的程序,作者对一个马赫数为1.2,雷诺数为22000的超音速射流火焰进行了直接数值模拟。计算使用了9.72亿网格,在2000颗运算核心上,进行了约500万cpu小时的计算。本文对火焰的流场特征、火焰的特征结构、稳燃机理、涡结构特征、稳燃机理、爆燃波与激波结构、涡运动与燃烧的相互影响等进行了分析和论证。超音速射流火焰的整体结构可以分为三个区域：近似层流的火焰底部；温度较低、燃烧强度较高的剧烈混合区；燃烧强度逐渐变弱的远场区域。由于可压缩性的作用,火焰的半宽发展较缓慢,超音速射流火焰的流向速度径向分布曲线进入自相似区较慢。以自燃标志性组分HO2在高温组分OH上游聚集和高的Da值为特征,在高温度、低标量耗散率的贫燃区发生的自燃是火焰底部实现稳燃的主要机理。通过调节伴随流温度、速度、射流入口条件,可以调节火焰的抬升高度。通过火焰标识分析,我们发现火焰底部的自燃属于非预混燃烧。在整个火焰区域,当量混合分数面附近大都属于非预混燃烧。另外一个非预混燃烧区分布在音速面爆燃区的附近。两个非预混燃烧区之间分布的是预混燃烧区。在剧烈混合区,预混燃烧和非预混燃烧都很剧烈,预混燃烧对总的热量释放率的贡献约为35%。在远场区,燃烧以外围扩散燃烧为主,对总的热量释放率的贡献最多,约占80%。本文证实了超音速射流火焰的进场涡结构中三维流向涡结构占主导地位,没有明显的涡环结构出现。当湍流充分发展后,径向和周向的涡结构也变的丰富。为了促进燃料的混合,我们可以增加适当的机理或者设计适当的喷口形状,促进流向涡的发展。本文还给出了超音速反应流中缓燃波和爆燃波的形态。缓燃波的压缩波在上游,爆燃波的压缩波在下游。由于湍流和爆燃波的作用,激波面变的非常褶皱,甚至出现破碎,产生散落的“小激波”和超音速“孤岛”。由于混合在超音速区域受到限制,射流核心的破碎,有利于燃料和氧化剂的混合。本文还研究了涡运动和燃烧的相互作用。在超音速射流火焰低速区(ξ=0.0983和ξ=0.2),高的压缩功率和高的膨胀功率,都对应着较高的热量释放率,总热量释放率主要由压缩(或者膨胀)功率幅值约为1Jmm-3s-1的样本所贡献,这个值和热量释放率在一个量级。在低速区,燃烧与涡的作用主要表现为高热量释放率带来的涡膨胀。在高速区(ξ=0.8和ξ=9),高压缩功率幅值,对应着高的热量释放率；高膨胀功率幅值,不会带来热量释放率的降低,对热量释放率的影响较小。在高速区,总的热量释放率主要由压缩(或者膨胀)功率幅值约为10Jmm-3s-1的样本所贡献。在高速区,燃烧和涡的作用主要表现为压缩过程会提高燃烧强度,而膨胀过程对燃烧强度的影响并不明显。本文的研究工作还建立了约15T字节信息量的数据库,能为超音速湍流内在机理的研究和相关模型的发展提供持续的支持。