低总温直连式空气加热器主要应用于超燃冲压发动机地面直连式试验系统中，其关键技术在于保证点火容易、燃烧稳定、出口流场品质高以及燃烧室内表面有可靠的热防护措施。本文以基于液体火箭发动机燃烧室结构的空气加热器为研究对象，采用数值仿真与试验相结合的方式研究空气加热器雾化及燃烧过程，分析不同结构及工作参数对加热器性能的影响。首先，通过雾化试验研究了应用于本文所研究的空气加热器的三组元同轴直流式喷嘴的雾化性能。分析了喷嘴不同结构及工作参数对喷嘴流量特性与雾化特性的影响。研究表明：三组元同轴直流式喷嘴的流量系数受到气气之间的剪切力、空气喷注压降、喷嘴缩进以及流体粘性等因素的综合影响；气相组元明显改善喷嘴的雾化效果，增大喷嘴的雾化锥角，而喷嘴不同缩进及不同空气环缝外径基本不影响雾化锥角；粒子SMD受气体的喷注压降、喷嘴缩进以及空气环缝外径的影响，在一定范围内，气体喷注压降的增大会引起同截面粒子的SMD增大，而随着喷嘴缩进尺寸的增大，粒子SMD则表现为先增大后减小，空气环缝面积的增大会引起粒子SMD减小；粒子尺寸的分布形式较好地吻合Rosin-Rammler函数分布。其次，根据现有的理论模型，选择了一套适合于空气加热器喷雾燃烧过程的数值仿真模型与计算方法。应用所选模型仿真计算了空气加热器内部燃烧流场，同时验证了网格无关性，并与同工况下的热力计算结果以及试验所测值进行了对比，从而验证了数值计算的正确性，在此基础上对比分析了不同结构及工作参数对空气加热器燃烧流场的影响，以及提出并仿真研究了塞锥的安装及不同安装位置对加热器性能的影响。分析表明：一阶/二阶精度得到的加热器燃烧流场差异不大，且加热器喷管出口流场品质高；适当减小掺混孔的倾斜角度以及增加单排掺混孔的数量有利于燃气导管的热防护；推进剂的物态直接影响着加热器燃烧流场结构与喷管出口流场品质；喷嘴结构参数的变化可能会影响喷注面板的热防护及加热器的燃烧性能；塞锥的安装有利于加热器流场的均匀性，且这种效果随塞锥安装位置的不同而变化。最后，开展空气加热器的热试研究，并采用设计的总温耙测量了加热器喷管出口的总温分布，同时考察了加热器不同空气流量配比与隔板不同孔径时的点火特性、燃烧效率以及喷管出口参数分布的均匀性。再者，利用数值仿真方法对比研究了试验中所涉及的加热器工况。结果表明：加热器的性能基本能达到设计要求，且加热器的混合室上游存在一个低压区；空气流量分配存在一个最佳的配比，使得加热器燃烧效率最高；隔板面板孔径适当增大更利于加热器的燃烧性能。