单一或多种类型动力方式在更宽的空域和速域包线内稳定工作，是未来空天动力的发展趋势和方向。宽域来流条件下吸气式动力将面临多设计点带来的动态和多时空尺度流动问题，深入理解可为解决“推力陷阱”问题提供理论依据，支撑提升动力系统宽域工作性能。因此，可压缩湍流场的时空多尺度特性以及与超声速燃烧的多尺度耦合关系是本文关注的关键科学问题。

本文基于直连式燃烧地面实验技术，内窥光纤火焰传感器、激光诱导荧光OH-PLIF技术以及高速纹影等超声速燃烧与流动非接触测量技术，通过香浓熵非线性时间序列分析方法，对碳氢燃料超声速湍流燃烧火焰分区以及超声速燃烧释热与多尺度湍流涡结构的相互作用关系开展了研究。本文遍历了单边扩张燃烧室模型由超燃工作模态到近热雍塞工作状态的燃料质量流量和一定的来流变化条件。开展了固定当量比、动量通量比和来流马赫数的定常实验，以及变当量比和变马赫数的非定常实验。给出了碳氢燃料超声速燃烧分区实验测量结果，讨论了多尺度湍流涡结构作用，提出并验证了一种超声速燃烧与多尺度涡结构相互作用关系理论。

本文的第一章对研究现状进行了综述；第二章介绍了地面实验方法以及高时间分辨率的超声速燃烧与流动非接触测量技术；第三章报告了开展的碳氢燃料超声速燃烧分区的实验研究。提出了一种基于内窥光纤传感器测量CH*自发光时间序列信号，通过最小香农熵“唯一解”定义燃烧特征时间的方法，并获得了不同燃料当量比、通量比、来流马赫数实验条件下的超声速燃烧特征时间，实验研究表明碳氢燃料超声速燃烧在旋涡小火焰区域（B区），多尺度湍流涡结构发挥重要作用，在宽域湍流燃烧研究中需要着重关注宽域来流和多尺度流动特性；因此本文第四章进一步分析了超声速燃烧释热与多尺度涡结构相互作用关系。实验方面基于OH*自发光以及OH-PLIF测量技术获得了OH基外轮廓分形维数、基于内窥光纤传感器表征了局部当量比。实验研究表明，碳氢燃料超声速燃烧与多尺度湍流存在很强的相关性，中间过程主要涉及到燃烧释热—多尺度涡结构—局部当量比—燃烧强度—燃烧释热循环往复的过程。启发于实验研究结果，提出了一种超声速燃烧释热与多尺度涡结构相互作用理论分析方法，最终获得了超声速燃烧过程中湍流与燃烧释热相互作用规律。第五章对全文结论、创新点进行了总结，并给出了未来研究展望。