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高超声速边界层转捩预测是航天飞行器气动设计中的关键难题。当前CFD转捩计算中采用的转捩模型方法建立在间隙因子的唯象演化基础上,包含大量的经验参数和关联函数,其物理意义很模糊导致适用范围不明确,在高超声速流动出现更多复杂转捩效应的情况下,模型的可靠性越来越低。新近发展的壁湍流结构系综理论(SED,structural ensemble dynamics)提供了突破这一瓶颈的新思路。SED将固壁对湍流脉动形成的对称性约束表述为边界层可数的结构系综,利用结构系综的广义拉伸对称性假设,完成了对平均速度和湍动能全剖面的统一描述,与大量实验和计算数据精确符合。将SED应用于描述边界层的流向变化,便形成了从层流区到转捩区再到湍流充分发展区的转捩三系综刻画,所产生的SED-SL代数转捩模型物理图像清晰、定量描述精确,有望推动对转捩模型瓶颈的突破。本文将SED-SL模型拓展到计算有攻角的高超声速尖锥转捩流动。尖锥是研究复杂高超声速边界层转捩的标模,与航天飞行器联系紧密,其转捩机制复杂,转捩状态多样,当前的转捩模型还不能准确和完整地预测尖锥的各种转捩状态。本文通过与马赫6,7度半锥角尖锥在中度攻角情况下的红外实验数据的对比研究,确定了尖锥转捩边界层的结构系综,以及结构系综参数随流动控制参数和空间位置的变化形式,并基于结构系综参数描述了边界层物理状态的变化,初步构建了结构系综参数与当地流动参量的关联关系,形成对转捩发生条件的经验判定。所形成的SED-SL~T转捩模型(structural ensemble dynamics-stress length transition model)实现了对高超声速尖锥转捩实验数据的准确预测,为今后发展能够针对尖锥流动开展全参数域精准预测的SED-SL~T代数转捩模型奠定了基础。本文发展并实践了构建工程复杂转捩边界层的转捩模型的具有一般意义的研究方法,它可以表述为三个步骤:1.依据实验或可靠的计算数据确定复杂转捩边界层的结构系综;2.提炼反映转捩边界层物理状态和相似性的结构系综参数的变化规律;3.将所形成SED-SL转捩模型在宽参数域内进行验证和应用。该方法为其他研究者开展湍流模型研究提供了重要参考。该方法与之前湍流模型和转捩模型研究相比的优势在于:结构系综参数具有显著的物理意义,能反映边界层的物理状态以及边界层随控制参数和环境因素变化的相似性,这是该方法有效性的保障。