自高聚物溶液减阻效应被发现以来,这一独特的减阻现象引起了广泛关注。然而高聚物和湍流组成的物理系统异常复杂,它们之间的动力学相互作用仍不明确,高聚物在湍流中产生减阻效应的原因尚未完全清楚,减阻的机理还有待深入探究。目前湍流边界层中高聚物减阻的实验研究缺乏对相干结构,尤其是多尺度相干结构的全面分析。相干结构作为湍流中重要的结构单元,对湍流产生、维持、演化和发展有着重大影响。本文对添加高聚物的湍流流场进行研究,并结合流动中相干结构的分析,全面地了解高聚物和湍流之间的动力学相互作用,以便进一步揭示壁湍流中高聚物的减阻机理。本文利用高时间分辨率粒子图像测速(time-resolved particle image velocimetry,TRPIV)技术对湍流边界层中高聚物的减阻机理及多尺度相干结构进行了实验研究。TRPIV系统精确测量了两组雷诺数下清水和不同浓度的聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)溶液的壁湍流流场,记录并分析了流向-法向和流向-展向平面内的二维瞬时速度矢量。清水和PAM溶液中速度统计量的对比结果表明,尽管高聚物对流向湍流度的峰值几乎没有影响,但法向脉动速度、雷诺切应力及展向涡量均比清水中的情况大为降低,而且统计量峰值的位置更加远离壁面,其法向分布变宽。受湍流影响而沿流向拉伸的高分子反作用于湍流,显著削弱了法向和展向相干运动的能量,阻碍了湍动能从流向分量向另外两个分量的传递。并且具有黏弹性的高分子伸长后存储了原本由小尺度湍涡因黏性作用而耗散的湍动能,导致湍流能量的级串过程在小尺度部分被改变。高聚物对湍流物理量的影响,在本文涉及的雷诺数范围中,均随着溶液浓度的增加而越发明显,但是这种变化逐渐趋缓。通过分析脉动速度的相关函数,发现PAM溶液中相干结构的流向尺度随浓度的增加而缓慢增长,但法向上受到压缩。条件平均和线性随机估计(linear stochastic estimation,LSE)等方法提取的发卡涡、发卡涡涡包等结构的对比分析表明,高聚物使发卡涡从湍流平均场获取的能量减少,涡旋强度减弱,抑制了新发卡涡的产生,并且涡包中的独立发卡涡数量也随之减少。高聚物对流体法向方向运动的抑制也导致发卡涡和发卡涡涡包倾角普遍小于清水中的情况,其强度比清水中的情况降低,对周围流体的诱导作用也减弱,其涡头下方低速流体的喷射强度减小。猝发事件的减弱使流动中的条带结构更加稳定,降低了条带破碎产生新结构的可能,体现出高聚物对湍流自维持过程的削弱作用。高聚物正是通过控制边界层中的相干结构来控制湍流,从起到减阻的作用。清水与PAM溶液湍流边界层的多尺度分析是使用基于湍流局部平均速度结构函数的mu-level法检测并提取相干结构猝发时湍流特征量的空间特征拓扑形态。两者的拓扑形态相似,但脉动速度、速度梯度、速度变形率及展向涡量等物理量均显著减小。由于长链高分子物质黏弹性抗拒变形的能力,导致流体变形减弱、流动在法向上趋向一致,湍流运动受到了遏制,从而产生减阻效果。运用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)从能量最优化的角度对速度场进行尺度分解,得到的POD谱的三段式特征暗示了流动中的大、小尺度相干结构不同的主导机制:大尺度含能结构的能量分布服从幂次律;而小尺度结构的能量分布则为指数律;两者之间的过渡区也表现为幂次律,但是与大尺度的幂次系数不同。分布律中的系数变化表明了高聚物对湍流能量输运的影响,在大尺度部分湍流能量进一步向大尺度结构集中,而在小尺度部分高聚物的存在使小尺度结构能量的衰减减缓了。高聚物对大、小尺度不同的作用效果暗示了其对大、小尺度相干结构具有不同的作用机理。