超声速平板突起物绕流不仅在航空航天和武器装备研制中具有重要的工程应用背景,同时也是研究边界层发展和控制的重要方面。双锥作为典型的轴对称模型,研究其流场结构对于高速飞行器的设计和积累相关流场数据有重要价值。超声速突起物绕流和双锥绕流流场结构复杂、流动梯度大,给流动测试技术提出了严峻挑战。本文采用基于纳米粒子的平面激光散射(Nanoparticle-based planar laser scattering,NPLS)技术,从流场结构和时间演化两个方面研究了突起物以及双锥的超声速绕流特性。本文首先分析了进行平板突起物和双锥绕流研究对风洞和测试技术的要求,为了避免其它因素对实验结果的干扰,实验段流场要求湍流度低、无波系结构,并最终确定在Ma=3.0低噪声超声速风洞中采用NPLS技术进行流场测试,详细介绍了NPLS系统的组成和性能。针对实验对风洞流场品质的严格要求,本文还介绍了基于B样条曲线的超声速风洞喷管设计方法。包括本文采用的NPLS技术在内,很多基于激光和成像系统测试流场的技术会受到模型壁面散射光的影响,本文分析了纳米粒子散射光的频移和偏振特性以及壁面散射光的偏振特性,线偏振激光照射纳米粒子,其散射光仍然是线偏振的。并且相机接收到的粒子散射光在视场边缘具有最大的频移,视场中心处的频移几乎为零。所以基于频移消除壁面散射光的方法需要将关注的流场置于相机的边缘,而且需要将激光尽量以一个角度斜着照射该区域。对于未经特殊处理的模型壁面,由于其表面粗糙度的影响,线偏振光入射壁面时,其散射光有一定的退偏度。因此,通过在相机前方设置一个偏振片,这样可以衰减一部分壁面散射光。同时,还介绍了一些传统的消除和衰减壁面散射光的方法。应用NPLS和纹影技术获得了高度为1、2、4mm的圆台以及方柱绕流的流场结构。圆台的直径均为4mm,没有安装圆台时相应位置边界层的厚度约为1.2mm。在NPLS图像中,膨胀波、三维弓形脱体激波、再附激波以及圆台前方的分离区都能够清晰地辨别。通过改变圆台的高度,研究了高度对尾迹流动的影响。圆台高度越低,再附激波距离圆台越近。高度为1mm的圆台尾迹区的涡结构呈现出分立和规则特征,其对边界层的影响非常弱,而高度2、4mm圆台的尾迹则是复杂混乱的。不同高度圆台的三维弓形脱体激波的后掠角基本相同。圆台的高度对尾迹区影响显著,较低圆台的层流区和转捩区相对较长。方柱对边界层扰动比圆台强很多,边界层到达方柱时由于受到强烈的扰动已经发展成湍流,方柱后方再附的边界层的厚度增长角度也大于相同高度圆台的尾迹边界层增长速度。超声速双锥流场是典型的轴对称流动,采用NPLS和纹影技术研究了6个不同尺寸和角度的双锥模型。通过分析分离激波、前段锥激波和后段锥激波相互作用区域,可以发现轴对称的激波与激波相互作用的强度明显要比二维激波相互作用弱。双锥前后两段锥的角度相差越大,拐角处分离区的尺寸越大,双锥表面的边界层受到的扰动也越强。后段锥表面的边界层厚度和湍流度与前后段锥角度差值有很大关系,差值越大,边界层厚度增长越快、湍流度越高。