论文以超声速曲壁边界层为研究对象,综合采用纳米粒子平面激光散射(NPLS)、粒子图像测速(PIV)和直接数值模拟(DNS),系统研究了流向凹曲率、逆压梯度和流向凸曲率对边界层的影响,并揭示了相关物理作用机制。论文首次在超声速条件下通过实验直接观测到了曲壁层流边界层在转捩过程中形成的G(?)rtler涡及其二次曲张不稳定性。流向凹曲率会显著促进超声速湍流边界层中大尺度结构的破碎;DNS结果显示边界层中涡结构多集中分布于VLSMs区域。受曲率影响,VLSMs在曲壁段呈现出蜿蜒结构,涡结构的分布密度会随VLSMs的蜿蜒而有序变化。流向曲率效应对过渡层、对数率层和尾迹区的影响明显:过渡层面积增加;对数率层斜率减小,影响范围整体外移;尾迹区强度增强。PIV和DNS结果均发现主应变率在不同高度范围内沿流向有不同的变化趋势,为此,论文提出并修正了边界层的三层假设,合理地解释了主应变率在边界层中不同高度范围内沿流向变化趋势不同的现象。湍流结构的变化是导致边界层时均和统计参数沿流向变化的主因,受流向曲率影响,边界层中下洗事件明显增强,携带大量高动量流体直达内层,一方面提高线性底层的速度梯度;另一方面增强了过渡层和对数率层内的动量掺混,导致对数率层斜率的减小。不同动量流体间相互作用的增强同时增加了边界层内湍流脉动。引起对数率层湍流脉动大幅提高与引起对数率层时均速度随法向高度斜率减小的物理机制是一致的。为厘清流向曲率和流向逆压梯度各自对超声速湍流边界层的影响,论文设计了一个逆压梯度平板边界层实验,并将结果与零压力梯度平板边界层和具有相似壁面压力分布的凹曲壁边界层进行了对比。表明逆压梯度会增强边界层的主应变率、湍流度和雷诺应力;结果同时表明,离心不稳定性对边界层的湍流特性影响同样显著。通过给出压缩波与发卡涡包相互作用的物理模型,揭示了压缩波影响湍流边界层中大尺度结构的物理途径。为研究流向凸曲率和流向顺压梯度的影响,论文基于特征线追踪方法,巧妙地设计了一个流向压力梯度为零的超声速凸曲壁边界层,并将其与传统流向顺压梯度(FPG)曲壁边界层在相同条件下的实验进行了对比。结果显示流向顺压梯度和流向曲率对边界层的时均速度分布具有相似的重塑效果,均会削弱边界层尾迹区的强度,降低近壁区的主应变率,并减小壁面摩阻系数。流向顺压梯度和曲率流向湍流脉动均有抑制作用,但它们对法向湍流脉动的作用效果相反。流向曲率会提升边界层的法向湍流脉动,且其对法向湍流脉动的作用效果要远远强于顺压梯度。通过采用旋转强度参数提取边界层中的前向涡和后向涡,发现后向涡的数量和强度对是影响零压力梯度(ZPG)和FPG凸曲壁边界层湍流特性的关键。