飞行器在高速飞行过程中光学头罩周围的气动光学效应明显,深入研究高速流动PIV示踪粒子的跟随响应特性和湍流变动作用,对飞行器光学头罩周围复杂流场的准确实验测量具有重要参考意义。示踪粒子的良好跟随响应特性是高速流动PIV测量的前提,示踪粒子对流场较弱的湍流变动作用是保证实验所得结果不严重失真的关键。气相采用大涡模拟方法耦合离散相拉格朗日颗粒轨道模型,对尖劈模型、超声速混合层和后台阶模型进行了数值模拟。以数值计算所得粒径和布撒浓度为参考依据,分别对尖劈模型进行了PIV实验,两者结果一致。粒子跟随性与粒径成负相关,粒径越大粒子跟随性越差;布撒浓度与湍流变动作用成正相关,布撒浓度越大原始流场产生的变动就越明显。粒径为50nm且质量载荷为0.1092左右的布撒浓度能得到清晰激波边界和脱体位置的测量结果。对空间发展的二维超声速气固两相混合层在不同粒径、对流马赫数和布撒浓度下的粒子跟随性和湍流变动作用研究表明:粒径越小,速度响应越迅速,掺混能力越强,PIV示踪粒子跟随性越好;最大弥散距离随粒径的增大,先增大再减小,斯托克斯数在[1,10]区间内的粒子有最大扩散距离;相同粒径时对流马赫数越大,倾向性富集越明显,跟随性越差。粒径越大,两相之间的换热过程越长;通过分析粒子对气相流场的流向湍流、法向湍流和雷诺应力的影响,微粒径粒子(本文中约50nm)和布撒浓度为中等质量载荷(0.1左右)时湍流变动最小;对流马赫数的增大使局部粒子浓度增大,导致湍流变动作用明显。对PIV示踪粒子在后台阶流动中的瞬时和时均运动响应进行研究,结果表明:示踪粒子粒径的越大,粒子在经过膨胀波和激波前后的速度和温度的滑移时间和滑移距离越大,只有微粒径粒子能到达回流区;粒子经过超声速混合层、膨胀波、回流区和激波作用区域时,两相速度和温度变化较为剧烈,微粒子(50nm)对气相的动量和热量响应时间比中粒径和大粒径粒子短,微粒子对动量响应的能力比温度响应要强;在时均平均的后台阶膨胀波和激波截面上,激波对气固两相的流动影响更显著。只有微粒径粒子对激波带来的速度突变能迅速响应,速度滑移很小。示踪粒子对气相的动量响应快于温度响应,在混合层中心、混合层和膨胀波交界面、膨胀波和回流区交界面附近,小粒子(文中525nm)比其他两种粒径粒子有更好的响应特性。