超声速多尺度燃烧问题中仍然存在着尚不明确的流动和燃烧机理,物理化学耦合特征和复杂的化学反应动力学机理给数值模拟带来莫大的困难。本文基于直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法在描述多尺度系统非平衡输运和强间断性特征上的优势,以激波/湍流/燃烧相互作用机理研究为切入点开展多尺度燃烧的微观算法研究,并在算法和机理研究方面均取得了创新性结果。算法研究方面,本文将传统单振动模态推广至多振动模态以满足多原子分子的燃烧模拟,并发展了可服务于多尺度复杂燃烧流动问题的DSMC-QK微观算法,为多尺度燃烧的基础理论研究提供算法支撑;激波/可燃涡相互作用机理研究方面,本文发现燃烧释热加强膨胀涡量产生却未促进净涡量产生的新现象,其原因在于强烈的能量输运改变膨胀涡量输运方式的同时也促进了流场的动能耗散,这为激波/涡相互作用中的热传导和黏性作用机制研究提供新的见解。本文围绕创新点和研究目标开展研究工作,主要研究工作内容和相应的结论可论述如下:(1)发展适用于多尺度燃烧问题的高效微观算法。基于物理真实的量子-动理学(Q-K)方法,将单振动模态推广至多振动模态的形式以满足多原子分子的燃烧模拟,并发展了服务于多尺度复杂燃烧流动问题的DSMC-QK微观算法,为多尺度燃烧问题的基础理论研究提供算法支持;(2)多尺度复杂流动燃烧问题算法验证研究。高超声速多尺度流动燃烧中存在着复杂的激波/湍流/燃烧耦合问题,鉴于此本文采用从解耦到耦合的思路对本文发展的微观算法进行验证研究。研究表明,本文发展的DSMC-QK微观算法能准确预测激波结构、化学反应平衡态以及激波/燃烧耦合特征;(3)微尺寸激波/可燃涡相互作用机理研究。研究发现,仅在涡柱切向速度与激波运动速度相反的下半计算区域内出现涡拟能增加的现象,这意味着微尺寸下剪切引起的涡量在相互作用涡量产生机理中占主导作用。考虑燃烧释热时发现燃烧过程增强了膨胀涡量的产生却没有促进净涡量的产生,进一步研究表明其原因在于强热传导下的能量输运改变膨胀涡量输运方式的同时也加大了流场的动能耗散,这为激波/涡相互作用过程中的热传导和黏性作用机理研究提供了新的见解。