超声速燃烧冲压式发动机（超燃冲压发动机）是高超声速飞行器的核心动力系统,在国防武器、空天探索中具有革命性的应用价值,也是世界各国争夺的科技制高点。固体粉末燃料超燃冲压发动机采用高能金属或硼粉颗粒为燃料,兼具了液体燃料冲压发动机推力可调、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点,并且低碳环保,逐渐成为极具发展潜力的新一代动力装置。在流化气作用下,固体燃料经粉末供应系统喷注进发动机中,与超声速来流空气进行掺混,形成可压缩气固两相湍流流动,涉及到激波-湍流-颗粒的复杂多物理耦合,也是国际学术研究的前沿问题。超燃冲压发动机中可压缩湍流与粉末颗粒的掺混作用主要发生在湍流耗散尺度范围内,颗粒的直径小于Kolmogorov尺度,需要对湍流Kolmogorov尺度进行精确地捕捉,并且准确跟踪上亿量级颗粒的运动轨迹。然而,目前的气固两相湍流的数值模拟方法并未考虑激波压缩的作用,颗粒的点力模型也未进行可压缩与非稳态作用的修正,可压缩气固两相湍流的多物理耦合的高精度数值模拟方法与研究还未见到相关报道。本文首先采用虚拟点内嵌边界方法,对激波与单颗粒/颗粒群相互作用进行全解析直接数值模拟研究,分析了激波形态的变化,以及颗粒的阻力系数随时间演化与统计特性,发展了考虑激波压缩与非稳态修正的颗粒点力模型。基于改进的点力模型,本文对可压缩气固两相各向同性湍流、可压缩气固两相湍流混合层、可压缩气固两相湍流边界层与可压缩气固两相横向射流进行了直接数值模拟研究,精确地求解三维强可压缩湍流,捕捉涡旋和激波结构,准确地跟踪颗粒的运动轨迹,解析每个颗粒的信息。研究发现了可压缩湍流中颗粒的选择性聚集效应,以及对流场可压缩性和热力脉动的抑制特性,揭示了颗粒可压缩性和湍流可压缩性的相互作用机理;探究了颗粒在可压缩混合层涡结构和小激波作用下的弥散和混合特征,阐明了颗粒对混合层不对称性、增长速率和湍流各向异性的调制规律;探究了可压缩性和壁面湍泳力作用下的颗粒富集特性,阐明了可压缩边界层中颗粒呈现自相似分布特性的规律,并且揭示了基于流体密度的颗粒选择性富集机理;分析了可压缩横向射流中不同尺寸颗粒的弥散分布特性,对比研究了颗粒引入对弓形激波和湍流调制作用的影响,揭示了大/小颗粒对可压缩横向射流不同的湍流调制机理。