在高速飞行器的固壁表面上,湍流边界层广泛承受着流向壁面曲率效应,阐明其流动机理不仅有利于超声速/高超声速飞行器的新型设计,还有助于工程应用中实施有效的流动控制策略。本文的主要目的就是系统地研究流向凹壁面与凸壁面对超声速湍流边界层的影响作用。我们对经典的超声速平板湍流边界层开展直接数值模拟,并以此作为基本流动进而分析壁面曲率的影响。数据分析表明了本DNS得到了零压力梯度的充分发展的湍流边界层,来自上游的人工效应以及后转捩效应已经消退。利用该DNS数据,我们研究了经典超声速壁湍流中的涡结构模型。结果表明,基于上抛事件的条件统计分析揭示了发卡涡的存在,它在流向有前倾并且随着远离壁面其前倾角增大,我们进一步揭示了发卡涡对组织雷诺应力和湍动能的生成具有重要作用。我们对超声速凹壁面湍流边界层(M_∞=2.87)开展直接数值模拟。对于这类畸变的湍流边界层,采用了两个新颖的方法对边界层外边缘进行合理地定义:一个依靠总压,另一个使用间歇函数。结果表明这两种方法在物理上是等效的。我们对湍流边界层的标度规律进行了考察,结果表明很多规律在经典壁面湍流中成立,但在弯曲壁面流动中被打破,诸如普适的对数速度分布、近壁条带的平均展向间距以及外边界层的特征湍流尺度。雷诺应力与湍动能的分析揭示了凹壁面对湍流边界层施加了失稳效应,这种湍流放大效应可以追溯到外层大尺度结构的增强,同时可以从湍动能生成项的增强加以理解。同时,我们发现湍流边界层的流动响应从近壁区域开始并向外层扩展,这是由于湍流边界层内外层具有不同的特征时空尺度。特别地,凹壁面造成了内外湍流相互作用的增强,一方面这是因为凹壁面加剧了湍流边界层的尺度分离,另一方面这是因为凹壁面在能量和尺度上改变了近壁速度条带和超级结构。其潜在的物理机制为:外边界层的大尺度湍流结构通过施加脚印效应,增强了对近壁区域的线性能量叠加和非线性湍流调制作用。相应地,工程暗示为在相应工况中流动控制策略应该针对于大尺度湍流结构。我们对超声速凸壁面湍流边界层(M_∞=2.87)开展直接数值模拟,从而使得壁面曲率效应研究完整并可以与凹壁面情形比较。我们发现在湍流统计和结构的很多特性上,凸壁面的影响都与凹壁面相反。总体上,凸壁面对湍流边界层施加了镇定效应,这削弱了边界层内的湍流运动。为了探究凸壁面对边界层增长的影响,我们对间歇现象进行了深入的研究。我们首先揭示了超声速流动中,湍流/非湍流界面的统计特性与不可压缩情形具有相似性,这是对Morkovin弱可压缩性假设的拓展。然后,我们发现凸壁面在很多方面影响着湍流/非湍流界面性质,这表现在几何特性、界面动力学特性以及湍流卷吸过程。进一步地,我们发现凸壁面会造成边界层有旋流体流失的反常现象,而其内在物理机制为:凸壁面削弱了湍流/非湍流层内的速度梯度和小尺度涡结构,这直接削弱了湍流卷吸过程的小尺度阶段。这些研究结果总体反映了壁面曲率效应是具有全局性的,它的影响可以波及到湍流边界层的最外部。