兵器发射以及各类飞行器发动机开始工作时均会形成非定常超声速射流，其初始流场结构特征与演变机理的研究对提高发射精度与抑制发射过程中的二次爆炸以及提高发动机工作性能等均具有重要意义。此外，非定常射流中还蕴含了许多复杂的流体物理现象，如可压混合层、可压涡环、涡合并现象、复杂激波结构、激波与涡相互作用以及气动噪声等流体力学经典问题，因此对非定常超声速射流的研究还具有重要的学术意义。　　本文主要基于大涡模拟方法，结合高精度混合格式与结构化自适应网格技术，数值研究了不同出口条件下非定常超声速射流中所包含的各种流体物理现象及其主要流场特征，并对其在兵器发射与脉冲爆轰发动机中的应用进行了研究。主要工作与研究成果如下:　　研究了空间发展可压混合层的流场结构特征与演变规律，揭示了混合层中涡合并形成声波的过程与小激波的形成机理。混合层在K-H不稳定作用下失稳并卷起涡，涡发展过程中会出现双涡合并，形成典型的四极子声源。双涡合并时，各涡独自旋转半周，并分别向上、下侧流场辐射一道声波，此声波在亚声速混合层声场中占主导地位。对于高对流马赫数超声速混合层，大尺度涡的高速旋转造成涡外缘切向速度与上、下层流动速度成相对超声速，并在该区形成小激波。小激波形成后，随涡运动而出现变形及脱离，并与相邻涡作用产生反射激波与声波。此外，当混合层两侧密度不同时，混合层失稳加速，小激波强度减弱，而密度较低侧的小激波会更弱。　　研究了非定常超声速欠膨胀圆管射流的流场特征，揭示了二次涡环的形成机理。超声速欠膨胀圆管射流主要包括前导激波、主涡环、混合层、激波胞格、嵌入激波与涡导激波对，同时随着射流的发展还会产生混合层失稳、激波与涡串相互作用以及二次涡环等现象。另外，还发现二次涡环主要由马赫反射形成的滑移层在K-H不稳定性作用下，从其末端失稳卷起而成。而对于弱欠膨胀射流，二次涡环首先由上、下三波点碰撞后，两滑移层组成对称圆锥，圆锥失稳卷起而成。二次涡环的旋向与主涡环相反，并绕主涡外缘向射流上游翻转。虽然其直径不断地变化，但涡核尺度保持不变。　　研究了三种非圆管（平面管、方管与椭圆管）超声速射流结构。发现对于平面射流，只有在涡核失稳的后期，二维与三维计算结果才出现明显差别。涡导激波对与混合层的相互作用可加速主涡失稳，从而增强其混合效果。而对于方管与椭圆管射流，它们的主要流场结构与圆管情况类似，但因喷管周向曲率的变化，会导致主涡的Biot-Savart变形，并在曲率大或拐角位置形成旋向相反的流向涡对。主涡环的Biot-Savart变形以及流向涡的卷吸作用是导致主涡环轴置换的主要原因。而对于亚声速等膨胀射流，流向涡的卷吸作用在轴置换中占主导作用，超声速欠膨胀射流则随其出口压力比的增加，射流膨胀效应能加速轴置换。另外，曲率大的管口位置还会形成过度膨胀区，并向下游形成斜平面激波，斜平面激波在下游空间相互相交，形成了射流域内的激波胞格。而对超声速椭圆管射流，二次涡环形成所要求的出口压力比要高于圆管射流情况，此时二次涡环具有复杂的三维结构特征。　　研究了高速弹丸发射时，制退器对膛口流场及制退效率的影响。结果清晰地揭示了膛口流场波系结构的产生、发展与演变过程，并发现多孔制退器比开腔式制退器能更有效提高系统的后坐特性，但其超压区变大。另外还研究了脉冲爆轰发动机引射出口的非定常射流特性，得到了爆轰波在引射器内反射与诱导形成二次爆轰的过程，并发现冷态超声速引射，涡环的卷吸对引射增推形成占主要作用，而爆轰引射主要靠压力吸进，且双爆轰管引射的推力增益较单管低。