沟槽减阻是湍流边界层的一种被动控制减阻方法,关于这种方法的研究已经有30多年的历史。然而由于湍流内相干结构复杂多样,且随着时间不断发展和演化,迄今为止,人们尚未对沟槽减阻机理的认识达成统一。本文利用（Time-resolved particle image velocimetry）TRPIV的高时间分辨率的特性,在不同的雷诺数下对循环水槽中不同实验平板的湍流边界层流场分别从流-法向,流-展向两个角度进行了测量,并以相干结构为出发点,对传统型2D沟槽和3D正弦波型沟槽的减阻机理进行了实验研究。对于传统型2D沟槽壁面,平均速度曲线的分布和二阶统计量湍流度和雷诺切应力的结果符合典型减阻壁面的特征。对流场进行本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）后,得出传统型沟槽对低阶的模态有显著的影响,对前四个模态的分别对比更能看出沟槽壁面高速流体向下扫掠的强度降低,从而导致了壁面摩擦阻力的降低。利用有限时间李雅普诺夫指数（finite-time Lyapunov exponent,FTLE）方法,在两种壁面都辨识到了类发卡涡的结构。结构形态与广义发卡涡在流-法向平面上的投影符合,说明沟槽对湍流中相干结构的形态在定性的角度上,并没有产生本质的改变。随后利用相关函数的分析从定量的角度比较了不同,结果表明沟槽对发卡涡的抬升和迁移有显著的影响,近壁区的发卡涡抬升较光滑壁面要高,而在外区又有明显降低,说明近壁区发卡涡腿与沟槽壁面的接触面积减少,降低了壁面的摩擦阻力。此外,在光滑壁面湍流边界层内清楚的观察到了发卡涡的形成过程,而在沟槽壁面则没有观察到完整的过程。迁移速度的对比进一步说明沟槽壁面上的相干结构在流场中运动较慢,抑制了涡在湍流边界层中对流输运特性。将2D沟槽拓展到3D,两种沟槽壁面的平均速度剖面在对数区都满足减阻壁面的典型特征,都有不同程度的抬升,（Sinusoidal-riblets）S-沟槽的减阻率相比于传统型沟槽有了小幅度的提高。二阶统计量湍流度和雷诺切应力也有明显的降低,在沟槽壁面上曲线的峰值有外移的现象。对象限分析法进行扩展,引入参数H对小幅的瞬时u’v’进行了过滤,重点分析各个象限对较强的雷诺切应力的贡献比,结果表明较为强烈的雷诺切应力几乎全部来自喷射和扫掠事件,而这两个事件中Q4明显受H的影响要大一些,说明与Q2相比,Q4只是在近壁区比较强烈。基于相关函数和λci准则的研究结果表明,S-沟槽减小了近壁区相干结构在流向和法向上的空间尺度,抑制了流体在法向上的运动以及相干结构的抬升。沟槽抑制了喷射运动的强度,从而导致了雷诺切应力的降低。在两种沟槽壁面发卡涡的倾斜程度都有明显降低,S-沟槽效果更为突出,说明在减阻沟槽壁面发卡涡诱导喷射和扫掠的能力降低,从而抑制了湍流的自维持机制。基于POD的分尺度研究表明低阶的含能模态随着阶次的增加,模态所含结构的尺度不断减小,S-沟槽壁面低阶模态中的含能量较平板降低,能量没有集中在大尺度的结构。流-展向平面流场的研究结果表明,在不同的法向位置处,瞬时速度场呈现不同的结构形态。在Re不变的情况下,随着y+的增加,低速条带之间的间距有增宽的现象;同一法向位置处沟槽间距比光滑壁面相比变宽,两种沟槽之间的区别不大。互相关分析给出了统计意义上的条带结构的空间形态,得到了同样的结果。POD分尺度研究得出沟槽影响的是低阶的含能较高的模态,光滑壁面的高低速条带之间会相互作用产生涡,增强了条带在展向上的运动及不稳定性。沟槽壁面的条带更为规则有序,说明沟槽的存在限制了条带结构的展向运动,削弱了近壁区高低速流体的展向混合,降低了动能动量在展向上的传递。