随着科学研究、工业以及军事方面对微型飞行器的需求增加，微小尺度动力推进系统在航空发达国家得到了高度的重视。由于爆震燃烧相对于传统推进系统燃烧具有更高热循环热率以及强非定常特性，微小尺度脉冲爆震发动机成为该领域的研究热点和难点。本文围绕着脉冲爆震发动机微型化进行了小尺寸爆震燃烧系统设计和分析，并对相关物理问题进行了实验和数值研究。为了揭示微小型管内缓燃转爆震（Deflagration-to-Detonation，DDT）的机制以及爆震波传播动力学，进行了一系列的试验和数值研究，具体研究内容包括微小尺寸管内爆震波触发技术、火焰加速转捩至爆震波的机制、爆震波反应流的流体动力学特性、三维爆震波结构和高分辨率的爆震数值模拟方法。主要研究了料/空气的微小尺度脉冲爆震发动机需要的关键技术包括高效的气动阀进气系统、快速响应的雾化和掺混技术、快速起爆技术、高效的高频点火系统和可靠的点火技术、快速闭环的控制系统以及精确的实验诊断和测量系统。本文对气动阀式液态燃料的小尺寸脉冲爆震发动机地面测试系统进行了详细介绍，并对相关的系统和技术进行了验证测试，提出了相应的改进措施。采用商用CFD软件FLUENT对气动阀的油气掺混进行了数值模拟，利用数值结果对气动阀结构进行了优化。设计了内径分别为29mm，24mm和19mm的三种爆震管，几种不同结构DDT强化装置被安装在不同长度可拆卸的爆震管内，结构包括Shchelkin螺旋、孔板、三叶片、小突片和激波反射装置。航空煤油为燃料和空气为氧化剂，采用不同的触发爆震的技术和措施，在气动阀式小管径脉冲爆震发动机系统上进行了低点火能量的多循环试验来获得稳定的爆震波。利用压力传感器和离子探针研究了火焰和压力波的传播过程，分析了DDT不同的阶段、煤油/空气爆震波的特性、DDT时间和距离和点火延迟时间等；讨论了管径、管长和点火频率对DDT过程的影响，归纳出了火焰加速、CJ爆燃波以及过驱动爆震相关的DDT机制。除此之外，本文还进行推力和燃油流量的测量研究，得出了小尺寸脉冲爆震发动机系统的性能特点以及最优工作频率。采用高精度、高网格分辨率的数值方法研究了微小型管内火焰加速和缓燃转爆震机制。控制方程为二维包含反应流的Navier–Stokes方程，使用HLLC（Harten,Lax,van Leer,Contact）近似黎曼解结合并行自适应网格算法、高精度MUSCL-TVD型数据重构技术的有限体积法求解方程。利用基于层流火焰的起爆模型研究了光滑管壁管内火焰加速和触发爆震波的机制、不同障碍物分布对火焰加速至爆震过程影响，基于数值结果归纳出几种不同火焰加速和触发爆震波的机制；障碍物间距增加，火焰加速变慢，触发爆震时间和距离增加；层流火焰加速至CJ爆燃波速度左右是触发爆震波的必要条件，如果激波后压缩混气微团的反应时间足够小，则诱导爆震发生。除了快速火焰加速机制外，前导激波与壁面强激波反射形成马赫杆或前导激波强度，也是触发稳定爆震波必要条件；激波、火焰与涡的相互作用、激波诱导压缩预热的气体微团快速反应也是触发爆震波重要机制。螺旋爆震波是一种在爆震波前沿伴随着爆炸的临界传播现象，是自相持爆震波最稳定的极限传播模式。如何快速在微型通道内形成螺旋爆震波和认识螺旋爆震波的传播特性对研究爆震波在微型管内传播具有重要意义。利用三维高分辨率的并行化反应流计算程序研究了微型通道内三维爆震波传播动力学、爆震波前沿结构、不同初始扰动对螺旋爆震波形成的影响以及分析了螺旋爆震波的特征参数和爆震波前沿不稳定性，得出了三维爆震波的结构、螺旋爆震波形成条件和机理。数值结果三维可视化表明：三维爆震波传播模式和结构与已发表的实验以及数值模拟具有很好的一致性，并得出不同的子结构；自适应的螺旋爆震波是微型管内最稳定的传播模式，不对称的初始流动扰动诱导的螺旋爆震波的形成时间最短；横波动力学和爆震波前沿的压力波动是螺旋爆震波形成的原因和其不稳定性主要表现；相关研究结果为微型管内的三维爆震波物理认识提供补充。综上所述，本研究归纳了微小型脉冲爆震发动机的关键技术，并进行了设计和验证研究；多循环实验揭示了小尺寸液态燃料的爆震燃烧系统不同触发爆震过程、多循环DDT特点、DDT相关的物理问题；详细阐述了高精度高分辨率的爆震波数值研究方法，得出微型管内火焰加速机制、火焰-障碍物相互作用和不同DDT机制；利用三维高分辨率数值方法研究了微型通道内三维爆震波传播动力学、爆震波前沿结构、不同初始扰动对螺旋爆震波形成的影响以及分析了螺旋爆震波的特征参数和爆震波前沿不稳定性，得出了三维爆震波的结构、螺旋爆震波形成条件和机理。本研究结果为微小型脉冲爆震推进系统设计打下基础，也可作为其他微小尺度燃烧应用系统中DDT问题作为参考。