本文以双燃烧室超燃冲压发动机(DCR)燃烧室内部富燃燃气与超声速空气来流的混合为研究背景,将具体的工程问题抽象为超声速湍流混合层的物理现象作为研究对象。综合运用了大涡模拟(LES)、纳米粒子平面激光散射技术(NPLS)以及粒子测速技术(PIV),对不同流动参数以及不同尾缘结构的被动混合增强机理开展了研究工作。首先,论文研究了不同流动参数(特征雷诺数、对流马赫数)对超声速混合层动量与标量特性的影响。在研究混合层动量特性时,发现特征雷诺数主要对混合层完全混合段产生促进作用,而对流马赫数的增大则对混合层的整个流场产生促进作用。在标量特性方面,发现混合层的标量也存在自相似性,同时与动量分布的单峰分布形式不同,混合层的标量脉动与标量纵向脉动输运量呈现双峰分布的形式,并且随着流动参数的改变,分布形式逐渐由双峰向单峰过渡。其次,为研究混合层被动混合增强技术,设计了板厚1mm不同齿间距的锯齿形尾缘试验件,并开展了NPLS/PIV实验研究。采用NPLS观测系统获得了不同尾缘流场的精细流动结构,并结合使用图像增强、边缘提取、互相关检测以及分形维数计算的处理方法,研究了混合层的空间与时间发展和演化规律。空间发展方面,观测到了锯齿形尾缘结构不同位置的不同流场结构,并通过不同工况的对比总结出了相应的规律。时间发展方面,则通过互相关技术,计算得到了混合层流场中大尺度结构的速度,大尺度结构整体表现出快运动、慢变化的流动特性。此外,针对在被动混合增强实验中所发现的规律,本文通过三维大涡模拟揭示了锯齿形尾缘混合增强的机理。认为锯齿形尾缘结构能够诱导产生流向涡,在展向呈现出正弦分布的形式,波峰位于齿尖,而波槽则位于齿槽,这与实验中观测到的现象符合的很好。并且齿间距决定了产生流向涡的形式。最后,针对在锯齿形尾缘实验与仿真中发现的被动混合增强机理,设计了一种矩形波瓣形流向涡发生器,研究流向涡对混合层涡演化特性与标量混合特性的作用。研究发现由尾缘结构诱导产生的流向涡,能够将上下两侧的流体卷吸进入涡核,极大的扩大了混合区域,并且由于流向涡的剪切作用,大尺度的涡结构迅速破碎为小尺度的涡结构,增加了两股流体的接触面积,进而增大了标量混合效率。