超声速内流问题在航空航天领域具有重要的应用背景,并在流动物理研究方面具有重要的科学意义。本文以超燃冲压发动机的隔离段为背景,采用大涡模拟方法对几种不同的直管道内流问题进行了研究,包括直管道内的正激波串问题和斜激波系问题、恒定背压以及周期背压作用下直管道内的复杂流动问题。具体工作和研究成果如下:(1)研究了超声速直管道内流问题。合理模拟了实验中观测到的正激波串现象,系统分析了该问题中的若干基本流动现象,如正激波串、激波边界层相互作用以及流场非定常特性等。流场中激波结构和分离剪切层对湍流统计量具有明显的影响。结果表明,由于激波串的存在及其非定常特征,湍流强度以及湍动能在激波位置明显增强。同时激波的非定常振荡会导致压力脉动量的增大。对湍动能输运方程的分析表明,激波的非定常振荡以及分离剪切层对湍动能的生成具有明显的促进效应,而压力脉动输运方程的生成项显示激波是压力脉动生成的主要因素。进而研究了流场的非定常特性,通过对流场中的压力脉动场进行本征正交分解(POD)分析,发现流场中激波串的非定常振荡和剪切层的失稳脱涡是流场非定常特性的主要因素。(2)研究了超声速直管道内复杂流动现象和不同压力梯度下局部流动拓扑特性。合理地模拟了超声速直管道内的斜激波系,在速度梯度张量不变量空间内系统地分析了局部流动拓扑在不同压力梯度影响下的特性。在逆压梯度区,粘性底层以不稳定的流动拓扑为主,在顺压梯度和零压力梯度区则以旋转占优的流动拓扑为主。同时对不同压力梯度区域中耗散和拟涡能基于流动拓扑的条件平均分布进行了讨论,研究了不同的流动拓扑结构及压力梯度对耗散和拟涡能的贡献。讨论了应变、应变与涡量的相互作用,以及它们与局部流动拓扑结构的关系。由于逆压梯度的影响,平均的第二主应变率更倾向于正值,流场中更倾向于shcct-like结构的生成。研究表明,第二主应变率与应变占优的流动拓扑密切相关。通过涡与应变相互作用的讨论发现,顺压梯度的存在有利于第二主应变率与涡量的方向一致。(3)研究了恒定背压条件下超声速直管道内流问题。讨论了高背压引起的内部复杂流动现象和湍流统计特性,研究表明高背压的引入会诱导管道内强的压力脉动。通过基于局部流动拓扑的分析手段,对压力脉动的特性进行了研究,发现压力脉动主要由不稳定应变占优流动拓扑(UN/S/S)引起。同时,由膨胀压缩性引入的旋转占优流动拓扑(SFC和UFS)对压力脉动的产生也有大的贡献,通过对应变率张量各分量与涡量的相互作用分析发现,应变对压力脉动的贡献更大。通过对流场中膨胀压缩效应对压力脉动影响的分析发现,压缩效应对压力脉动具有明显的促进作用,在不稳定应变占优流动拓扑(UN/S/S)发生的情况下这种影响更为突出。(4)研究了周期背压条件下超声速直管道内流问题。考察了管道出口位置引入的周期变化背压所导致的激波串、分离和分离剪切层等一系列复杂的流动现象,重点对不同周期背压条件下流场结构、湍流统计特性和压力脉动特征进行了讨论。低频的背压会造成流场中流动结构明显的周期性振荡,同时上壁面的分离泡会明显加剧,诱导其分离激波的振荡。低频背压情况下相位平均的流动结构在不同相位具有明显区别。由于周期背压的引入,湍流统计量在流场不同位置存在明显差异,流场结构的非定常振荡促进了湍流强度的增加。对流场中湍动能输运方程的研究表明,低频背压对应的输运方程各项有明显的增幅。对流场中的压力脉动进行研究,研究表明低频背压对于压力脉动的增加有更为明显的影响,说明低频背压更有利于管道内压力脉动的生成。通过对压力脉动场的POD分析发现,低频背压对应的流场周期性更强,且主要的相干结构分布于管道中段。高频背压对应的流场周期性较弱,且主要的相干结构分布于管道下游。低频背压对应的流场结构尺度呈现周期性的转换,而高频背压对应的流场结构尺度并无明显的转换。