超临界流体具有广泛的应用前景,特别是以超临界CO2布雷顿循环为代表的先进流体循环系统等方面的应用对于实现我国“碳中和”目标具有重要的战略意义,全面了解超临界流体的传热传质特性是超临界流体进一步优化应用的基础。以超临界流体为代表的复杂流场输运行为特性研究很大程度上依赖于高效测量技术的发展。其中,干涉测量法以其非侵入性等优点被大量应用于密度场、浓度场等的可视化测量。近年来,相移干涉测量技术发展起来,其能提供比常规干涉测量更高空间分辨率的可视化图像。相移干涉测量技术的应用才刚刚开始,复杂输运过程的实验研究亟待高效干涉测量技术的发展和对其输运行为特性的进一步探究。本文的研究以基于相移干涉测量法精确测量超临界CO2热对流特性为基本目标,从研究思路上分为三个步骤:（1）精密相移干涉测量方法及其相位重构等图像处理技术的改进及实现;（2）从低速缓慢现象到高速对流-扩散传质过程的精密测量;（3）从亚临界到超临界CO2在腔体内热对流特性的测定及其物理过程的分析。本研究首先介绍了相移干涉测量原理,包括相移技术和相位展开技术,推导了相位与密度或浓度的关系式。研究基于马赫-曾德尔干涉仪搭建了像素阵列掩模法相移干涉仪,其相位分辨率相比常规的干涉测量高100倍以上。该相移干涉仪可以实现实时同步高速采集四幅具有不同相位延迟角的干涉图像,更适用于小密度变化、小尺度流场和快速变化流场的可视化测量。精确测定二元系统中的质量扩散系数对于理解和调控诸如污染物的扩散、生物医学领域中药物的研发、化学反应中的传质等过程具有重要的意义。基于本研究搭建的相移干涉仪,实验设计了恒温扩散腔,可视化测量了乙醇在去离子水中的扩散,同时测量了多种白酒在去离子中的质量扩散行为,分析了纯乙醇溶液和复杂组分乙醇溶液扩散行为的变化,并计算出了质量扩散系数。实验观察到了扩散界面的移动,整体表明了传质过程对初始浓度和时间的依赖性,还揭示了复杂组分对乙醇-水溶液的扩散产生影响。此外,还系统测量了 NaCl、K2SO4和NH4C1在去离子水中的质量扩散系数。为了进一步研究二元溶液接触瞬间界面附近输运行为特性,利用相移干涉仪可视化高速测量了 50 mg/mL的无机盐NaCl、有机小分子甘油和有机大分子牛血清蛋白与去离子水接触瞬间的瞬态对流扩散浓度场,并提出了利用等效质量扩散系数来定量化描述瞬态传质速率。具体计算得NaCl、甘油和牛血清蛋白的等效质量扩散系数分别为 1.49×10-5 m2/s、6.82 × 10-5 m2/s、1.07 × 10-5 m2/s。实验观察到了分子扩散的不同特征,包括NaCl浓度中心的快速移动,表明了对流的快速发生和扩散的缓慢进行、甘油扩散前沿的均匀扩散现象和牛血清蛋白的质量输运仅发生在较狭窄的区域范围内。实验同时也进一步验证了当前所搭建的相移干涉测量方法测量瞬态传质过程的有效性和准确性。常规的干涉测量在超临界流体研究中获得了重要的应用,本研究将相移干涉仪应用于超临界流体的高分辨率可视化研究。实验设计了适用于超临界流体干涉实验用的可视腔,提出相移干涉测量超临界流体瞬态热对流特性的方法。实验获得了高空间分辨率的相位场和密度场变化图像。在亚临界区,输入热流密度越大、压力越大,热对流的不稳定性越强,实验观察到低压力下弧形膨胀热流、较高压力下垂直稳定上升的尖形低密度热流及在更高压力下螺旋上升的低密度热流。在超临界区,距离临界点越近,输入热流密度越大,热对流不稳定性越强,在较低输入热流时,底部的热流扰动首先局限在较小区域范围内发展,在较高输入热流密度时,底部的热流扰动发生扩展,实验还观察到多个相对独立发展的热卷流,在部分时刻可以观察到多个相对分离的泡状低密度团簇上升。