本文以超声速混合层为研究对象，综合采用纳米粒子平面激光散射、粒子图像测速和直接数值模拟等方法，系统研究了超声速混合层的流动机理和混合特性，揭示了流场中典型涡结构的作用机制，提出了高效的混合增强方法。
　　论文首先研究了弱可压混合层的流场结构。采用NPLS和PIV技术，对对流马赫数(Mc)为0.2的弱可压混合层流场和速度场进行深入分析。研究获得了高时空分辨率的流场精细结构，分析了流场中大尺度结构的运动特性；发现弱可压混合层中Kelvin-Helmholtz涡的对并仍然是转捩区混合层增长的主要方式；获得了低对流马赫数下流场中的小激波结构，发现大尺度涡在当地流场扮演钝头体扰动的角色，诱导小激波结构的生成；给出了湍流自相似区域速度场和湍流强度的分布，建立了一标准试验模型。
　　开发了可压缩流动DNS计算程序，并应用于超声速混合层。在完成高精度数值格式的验证后，采用DNS方法系统研究了Mc=1.0的强可压混合层流场结构和湍流统计特性。研究展示了强可压混合层中典型涡结构的演化情况，首次获得了流动转捩区多重环状涡结构并采用Helmholtz第一守恒定律揭示其生成机理；发现与弱可压/中等可压混合层不同，强可压混合层中Λ-涡和发卡涡不再对流动发展起主导作用；结合流场的湍流统计特性，建立多重环状涡“二次上喷”和“二次下扫”运动与转捩区湍流脉动强度“多次峰值”现象的关系。
　　研究了不同来流条件下超声速混合层的混合特性，获得了不同密度比(Rρ)、速度比(Ru)及对流马赫数(Mc)条件下混合层的流场演化和湍流统计特性。Rρ的变化对混合层速度厚度的影响较小，但Rρ=1.0时动量厚度增长率相比Rρ=0.75和Rρ=1.5下有了显著提升；随着Ru的增大，混合层速度厚度和动量厚度的增长均受到显著抑制；Mc的增长会显著延迟流动的转捩，近场处的增长率显著降低，而在远场处不同Mc下混合层的增长率近似相等；采用空间相关性分析获得了不同来流条件下混合层结构拓扑特性；评估了Mc这一单一无量纲参数衡量流动可压缩性存在的不足，基于相似定律和量纲分析提出了一般马赫数(Mn)并对其适用性进行了验证。
　　在明晰了混合增强的基本途径后，对三角波瓣装置、入口激励及斜激波结构诱导混合增强的效果进行了系统研究。首次获得三角波瓣诱导的流向、展向及横向精细流场结构和结构演化特性。发现流向涡诱导的涡簇带结构的撕咬作用能够有效增加流动标量混合接触面积；分析了流向涡和K-H涡的作用机制，流向涡和K-H涡的相互作用主导了流场涡破碎和三维特性的演化；借助于分形和间歇性分析，探究了三角波瓣装置的混合增强效果，获得了优化的结构装置。研究了入口激励对流动混合的影响，获得了特定频率下混合层的流场演化特性。高频激励(f=20kHz)下，涡结构尺寸很快饱和，且均匀分布饱和涡结构的尺寸近似等于对流速度与入口频率之比；低频激励(f=5kHz)下，涡核对于外围剪切带的顺时针吞噬作用是混合层实现增长的重要机理。研究了单/双侧斜激波与混合层相互作用及其对流场混合的影响。相比于单侧斜激波，双侧斜激波诱导出更高的混合层增长率，激波下游的湍流强度得到显著增强；通过分析涡量输运方程，发现激波作用下受到压缩的涡结构涡量的增强是斜激波诱导混合增强的重要机制。