明渠紊流是自然界和水利工程中一种重要的流动形态,明渠紊流中的相干结构对紊动的产生和维持以及能量的输运具有重要的作用,同时对水流中的泥沙悬浮、污染物扩散、边界层减阻等也具有重要意义,因而研究明渠紊流中的相干结构具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以水槽试验为基础,利用自主开发的PIV流场测量系统得到了高频率、大容量的流场样本,对明渠紊流的相干结构从定性和定量两个方面进行了研究。自主开发了一套包括水槽和PIV的试验系统,实现了水流的自动控制与水位、流量的实时显示和自动测量以及大规模的图像采集和流场计算。由不同水深和比降条件下的恒定均匀流试验得到的时均流速、雷诺应力、紊动强度等紊动统计特征值与已有的成果相符合,证明试验系统稳定可靠。利用高频率、大容量的流场样本分析得出要达到同样的测量精度,时均流速对采样频率和采样历时的要求最低,其次是紊动强度,而雷诺应力的要求最高。定量给出不同采样频率和采样历时条件下垂线上的平均测量误差,以及垂线上三个特征点在采样频率为15Hz和200Hz的条件下,测量误差控制在1%和5%以内需要的采样历时,为PIV系统的配置和流场测量的参数选取提供了依据。对瞬时流场序列中横向涡结构的形态特征进行了描述,提出了涡结构的三种模式,发现了中垂面上横向涡结构及以二、四象限的脉动流速为主的伴随结构经常同时存在的共同特征,两者一起构成了具有明显结构特征的相干结构。通过分析流速的空间相关结构和雷诺应力、紊动动能在各象限的分布规律对涡的形态特征和结构特征进行了解释。开发了可以提取流场中涡结构的位置坐标、旋转方向、x和y方向的特征尺度以及涡的扁平度的算法(包括流场结构化、重构小波母函数、对参数λ2积分求阈值判据确定涡圈等),相对于已有文献中直接将小波尺度与涡的尺寸联系并用圆形来概化流场中涡结构的方法,本文提出的方法能对涡结构进行更加完整的描述。对连续脉动流场中的涡结构进行了提取,研究了涡的发生频率和涡的平均特征尺寸沿垂线的分布,并分析了比降对这些特征量的影响,同时分析了涡结构的统计特性与水流的紊动统计特性之间的关系。