湍流因为具有多尺度、多自由度的内部复杂性和多样产生环境的外部复杂性两大复杂性而成为尚未解决的世纪难题,其中一个重要的流动类型是自由剪切湍流。可压缩混合层作为自由剪切湍流的一种,在科学研究上具有重要的理论价值而且在工程实际中具有广泛的应用。它是由两股具有不同速度的平行可压缩气流相互作用所形成,也称作可压缩剪切层、超声速混合层和超声速剪切层等。本论文针对可压缩混合层流动,从流动显示和热线测量、数值模拟和结构系综理论三个角度对流场中的结构及其演化形态、不同物理过程以及压缩效应的定量刻画展开研究。对于Mc=0.107和Mc=0.474的可压缩混合层平面激光米氏散射（PLMS）的实验结果,我们基于结构系综的思想,提出了等相位的结构提取方法。根据该方法我们提取了瞬时流场中的斜条纹结构;将斜条纹结构在样本空间进行系综平均得到了斜条纹的空间分布及其斜率沿流向的变化;在两个流动参数下,斜条纹结构的斜率随压缩性变化不明显,因此,我们认为斜条纹结构主要是高速气流在大尺度结构附近受到扰动而形成从混合层核心区域向外传播的马赫波和相干结构曲面效应造成的压缩\膨胀波系组成。基于流动显示的灰度图像,我们计算了混合层的厚度和增长率,得到了与文献相符合结果。流动显示图像的一维灰度信号能谱在对数坐标下存在斜率为- 5/3的惯性区,反映了流动中的被动标量具有多尺度行为。在本文的研究中,我们发展了可压缩流动的间断有限元（DG）计算方法,并首次将DG方法用于可压缩湍流的研究,开展了可压缩混合层流动的二维和三维数值模拟。对于二维时间发展的混合层（Mc=0.2-0.8）,我们统计了涡结构的几何特征及涡心轨迹在结构对并中的演化过程,分析了压缩性效应对对并过程的影响;在流场中具有相似的流动结构条件下,我们分析了可压缩耗散和压力胀量项的压缩性效应。对于二维空间发展的混合层（Mc=0.2,0.4.0.6,0.8）,数值模拟得到的时序脉动信号具有与热线测量的复合信号具有相似的特征;在充分发展区域,混合层的核心的时序脉动信号的频谱在对数坐标下存在斜率为-4的惯性区。通过采用将涡量、速度散度和压力梯度相结合的流动显示技术,我们观察到了相干结构附近的压缩和膨胀区域,分析了压缩效应对大尺度结构的影响。数值模拟结果表明,在充分发展区域,混合层流动满足很好的自相似特征和线性的混合层厚度增长趋势,这也体现了当前计算的可靠性。利用Favre形式的平均动量方程和湍流雷诺应力方程,我们研究了流场中动量和能量的输运平衡情况,分析了其中不同物理过程的作用,并与文献结果进行了比较。在三维流动中,流动结构及其之间的相互作用更加丰富:在流动初始区域主要是展向涡卷结构,在下游由于展向不稳定性和拉伸机制流场中出现了肋状结构和发卡涡森林结构,这与零压力梯度的空间发展边界层流动相似。与二维结果相比较,三维流动的自相似性更为突出,一些高阶统计量也满足自相似性。动量方程的输运平衡表明,压力梯度项把流向的动量转移到了横向;而在雷诺应力方程中主要是产生项从平均流场中获取能量,与湍流扩散、压力扩散、粘性扩散和粘性耗散作用相平衡。通过流场中的结构来预测平均流场的物理量一直都是流体力学研究的一个努力方向,在混合层流动中存在良好的拟序结构,这为我们建立基于结构的湍流封闭模型提供了可能。在本论文中,我们根据结构系综动力学的理论思想,对二维可压缩混合层的数值模拟结果进行了结构系综分析,通过将平均流场的控制方程分解成状态函数、微分算子和未封闭项三个部分,提出了基于连接状态函数和未封闭项的序函数来实现平均控制方程封闭的湍流模型框架。我们认为序函数的空间变化行为反映了流场中结构的统计信息,它源自传统的流动结构而又升华了传统的流动结构。通过学习数值模拟结果中的经验数据,我们对方程中出现的序函数的空间变化行为和随对流马赫数的变化特征进行了分析,完成了时间发展混合层中序函数的经验规律模拟,为完成可压缩流动在结构系综意义下的封闭,推动和建立新一代可压缩流动的湍流模型奠定了基础。