高速空气与燃气的混合与燃烧过程直接影响着组合循环发动机的推力性能。但在有限的燃烧室尺寸内,空气与燃气的驻留时间非常短,且压缩性抑制着混合层的增长率。因此,如何在短距离内提高空气与燃气的混合率一直是发动机研究的关键技术。本文以空气与燃气混合过程为研究背景,以超声速混合层为研究对象,采用理论建模、RANS/LES数值仿真以及NPLS/PIV实验测量相结合的方法,研究了超声速混合层的增长和混合特性,分析了混合层标量混合的机理。在此基础上,研究了上游扰动、斜激波、流向涡以及流向压力对混合层增长与混合特性的影响,提出了各个方法的混合增强机理及混合有效性。首先,研究了超声速混合层的增长与混合特性。分析了混合层从大尺度卷吸、小尺度输运到分子扩散的混合过程,区分了混合层的增长与混合特性,并给出了增长率与混合率的计算公式。分析了混合层大尺度涡结构的三维演化过程,认为发卡涡是混合层转捩阶段的主要结构。由于发卡涡的上下扫掠,引起混合层厚度和混合率增长。指出混合层的标量混合是湍流对流引起的标量混合界面拉伸和标量梯度引起的扩散,而且湍流对流的标量界面拉伸是促进混合层标量混合的主要因素。此外,混合层标量也存在自相似特性,标量平均场分布与速度平均场类似,但标量脉动场呈现双峰构型分布,这与速度脉动场的高斯分布不同。随后,研究了上游扰动对混合层近场发展的影响,分析了扰动频率和振幅对混合层近场增长率的影响。指出扰动频率控制着混合层的展向涡尺寸,在特征频率扰动下,混合层卷起规则有序的涡结构,涡的尺寸由扰动频率和混合层对流速度决定,并与扰动振幅无关。高频和高振幅均可提高展向涡卷起速率,从而提高混合层近场增长率,但高频抑制其他亚谐波的发展,不利于混合层进一步的增长。相对于单频扰动,双频扰动是更为有效地增强混合方式。尾缘厚度也影响着混合层近场增长率,当尾缘厚度的脱落频率是混合层特征频率时,脱落频率是混合层初始涡卷起的主宰频率。此外,锯齿型尾缘结构也可明显提高混合层增长率。建立了斜激波与混合层相互作用的参数求解模型和涡变模型。并采用已有模型、数值仿真以及实验验证了本文建立模型的正确性。通过建立的模型,可预估激波后的混合层增长率和展向涡增量。一般情况下,激波会提高混合层的增长率。但当来流速度梯度与密度梯度相反时,混合层增长率可能会下降,这是由于激波后的上下两层来流的速度衰减程度不一样。激波对混合层大尺度涡的演化过程影响不大,但影响着混合层小尺度涡输运过程,经过激波后,混合层的湍流脉动强度和雷诺应力均增大。然后,分析了流向涡增强混合的主要机理,并讨论了波瓣混合器下游流场的涡演化特性和标量混合特性。流向涡增强混合的机理有两点:一是大尺度流向涡对剪切层的拉伸作用,扩大了混合区域;二是大尺度流向涡在展向涡的“剪切”作用下逐渐破碎成为小尺度涡结构,这极大地拉伸了标量接触界面表面积,从而增强标量混合。在流向涡混合流下游远场区域内,发现了二次K-H涡,这种结构存在于大尺度拟序结构内。此外,T型和卷起结构同样存在于小尺度涡输运流场内。波瓣混合器增强混合的机理是波瓣尾缘褶皱构型拉伸了标量界面和在流场内产生了流向涡。因此,波瓣混合器可明显地增强混合。最后,初步探究了流向顺压梯度对混合层增长特性的影响。认为壁面抑制混合层扰动波的增长,从而推迟了混合层的涡卷起,导致混合层厚度增长较慢,但不影响混合层的增长率。顺压梯度同样推迟了混合层的涡卷起,但顺压梯度持续影响着混合层的发展,可逐渐提高混合层增长率。