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固体火箭冲压发动机（Solid Rocket Ramjet,SRRJ）是一种先进的吸气式动力推进装置,具有比冲大、射程远、结构简单且可靠性高等优势,适用于超音速巡航的各类炮弹和导弹系统。上世纪50年代新型高能复合推进剂的成功研制,为促进冲压发动机应用发展奠定了技术基础。为了进一步提高固体燃料的比冲,综合考虑能量密度、易着火性、毒性和贮存量等多方面因素,镁、铝等金属颗粒被添加到复合推进剂的配方中。SRRJ具有燃气发生器、进气道和后台阶等特征结构,实际内流场具有明显的三维湍流特性,特别是伴随微米级金属颗粒群运动和燃烧的多相耦合情况,目前主要采用实验观察与测量的方法进行研究分析。本文针对这类复杂问题,发展了一套跨尺度多相反应耦合数值求解器（Coupled Multiphase Reacting Phenomena Solver,CMRPS）,结合先进实验技术及地面直连式冲压发动机热车试验系统,仿真模拟和实验研究了铝镁贫氧推进剂燃烧特性对冲压发动机工作性能的影响。本文主要研究工作如下:（1）开发了二维/三维的跨尺度多相反应耦合数值求解器CMRPS,包含气相、固相和离散相三个独立模块,具有数值模拟湍流气力输运的稠密/稀疏气固两相耦合反应问题的仿真研究能力。气相模块基于有限体积法（Finite Volume Method,FVM）实现,综合考虑湍流、混合多组分、化学反应动力学和热力学等问题,通过源项方法与固相和离散相进行耦合,实现非定常迭代计算。固相模块主要用于计算复合推进剂内部热传导过程,通过大小相同的热通量和边界温度实现热耦合（Conjugate Heat Transfer,CHT）关联计算,求解固体域热能分布及燃面温度。微米级金属颗粒群运动和燃烧过程的追踪方法具体由离散相当地实际体积分数决定,基于Eulerian方法的双流体模型（Two Fluid Model,TFM）适用于研究稠密气固两相流,而对应稀疏颗粒轨道追踪问题的仿真模拟采用基于Lagrangian方法的离散单元方法（Discrete Element Model,DEM）。最后结合多个经典算例,对CMRPS仿真模拟结果的可靠性和准确性进行了验证分析。（2）考虑真实冲压发动机内流场的强迫对流复杂环境影响,研究微米级镁颗粒的微观定性火焰模态转变,并分析拟合了多类因素综合确定的单颗粒瞬时燃速和火焰总持续时间的定量公式。一方面,颗粒直径和环境参数（压强、温度及氧浓度）都会影响镁颗粒的燃烧波温度分布;静态下各向同性的镁颗粒火焰形貌同时还受到强迫对流效应的显著影响,随着相对速度的持续增大相关火焰模态由全包络,经过渡态向曳尾态转变,最终甚至可能导致熄火。分析单颗粒瞬时燃速和火焰总持续时间受到上述多类因素的综合影响,依据138项数值研究工况的仿真结果,基于最小二乘法提出了多变量共同作用的定量拟合公式。（3）搭建密闭耐高温高压激光点火实验台,包括高速摄像机、红外测温仪、钨铼微热电偶和高频测试系统等,研究分析了某铝镁贫氧推进剂的近燃面区初始分解燃烧特性。结合CMRPS双流体算法和16组分16基元反应动力学简化模型开展仿真模拟,对流固耦合传热过程及近燃面区火焰结构进行了研究分析。研究发现在冲压发动机地面试验工作压强范围内,Vielle和Summerfield提出的两种半经验公式都能很好地拟合该铝镁贫氧推进剂的压强-燃速关系。基于流固热耦合算法仿真模拟工况压强0.60 MPa的大气氛围中的燃面温度为1044 K,与实验值误差约4.4%。深入分析不同压强和氧浓度条件下的近燃面区火焰结构及主要反应组分分布,发现燃烧波温度曲线具有双平台特性。机理分析是因为受到环境状态参数影响的混合组分的化学反应路径和剧烈程度差异,表现为近燃面区流场高温组分扩散及其火焰对固体推进剂热反馈的综合现象。（4）通过基于Eulerian-Lagrangian模型建立的CFD-DEM气固模块双向耦合算法,研究微米级铝颗粒群补燃室射流燃烧的稀疏气固两相流的宏观耦合特性,追踪分析了离散相的运动弥散分布和燃烧反应过程。研究发现添加了铝颗粒群的耦合两相流较初始单相流场表现出显著的速度滞后和温度超前特征,其综合作用对于提高全局温度和实际推力具有正向意义,但因为存在相间阻力,可能反而会降低流场局部气相速度。进一步对加质铝颗粒群的入射范围、初始温度、直径和质量流率的影响进行了统计计算和定量分析。较好的颗粒群分散程度意味着有更高的气体接触反应机会和更大的传热传质空间,因此有助于提高燃烧效率。入射铝颗粒的初始温度越高、直径越小,着火速度越快,燃烧越容易实现,即意味着在固定长度补燃室的有限驻留时间内能够促进充分反应释放出更多的热量。铝颗粒及其燃烧产物的相变物理反应与燃烧氧化过程一样会显著影响多相流场温度分布,同时必须考虑当地物质组分的实际配比和掺混状态。（5）地面联管热车试验研究验证了以某铝镁贫氧推进剂为燃料的固体火箭冲压发动机全尺寸工作性能,该对称式侧向双路进气的管道火箭冲压发动机试验系统采用多套传感器,测量和记录了空燃比15工况下DRE工作全过程的压强场、温度场和推力等重要参数变化,并对热防护衬层烧蚀现象进行了剖析。受来流的双进气道结构决定,内流场高温区同样呈对称状分布,具有强湍流特性。引入的外界冲压空气在进气道入口上游附近区域形成回流区,在下游附近区域强烈碰撞并进行组分增强掺混,导致当地存在更高的氧浓度且实现二次燃烧。结合CMRPS的CFD-DEM气固模块双向耦合算法,成功仿真模拟了相同试验条件下该DRE内流场中的铝镁颗粒群运动弥散分布规律,捕捉分析了颗粒群燃烧效率及多相反应耦合流场细节等其他特性。最后剖析发现热防护衬层的烧蚀现象与高温燃气分布和颗粒群运动冲刷密切相关,主要存在热化学烧蚀和机械剥蚀两方面因素作用。