异重流是两种流体因密度差而产生的相对运动，广泛存在于自然界和人类生产生活中。异重流可以因很小的密度差而产生，并携带颗粒物运行很长的距离，是自然界中物质迁移输运的一种重要方式，其研究一直是流体力学的重要领域之一。　　本文利用光学测试手段，首次将时间解析粒子图像测速仪和相位多普勒粒子分析仪应用于开闸式异重流的流动结构及颗粒输运的研究，得到了高时空分辨率的无干扰的流场和携带颗粒的粒度等信息，以期解答两个问题:异重流中的流动结构及其时空演化过程;流动结构如何控制颗粒的输运、悬浮和沉积等行为，以及颗粒的存在对流动结构的反作用。　　本文首次观察到异重流传播过程中锋速从坍塌阶段进入到自相似阶段时，水平流速的速度剖面会发生振荡现象，该振荡是由开闸时传至左端壁而反射的波动引起的，这种振荡现象可作为开闸式异重流锋速转变的一个判据。实验发现驻点和鼻部最前缘点的不重合导致了鼻部下方不稳定分层的存在。Kelvin-Helmholtz不稳定性和Rayleigh-Taylor不稳定性是流动中两种主导不稳定性，这两种不稳定性以及它们的相互作用对流动漩涡结构的形成和头部的塑造起着重要的作用。本文首次发现了在尾流上方形成的逆流向涡量带，这个倾斜的涡量带和底面边界层产生的流向涡量带是物质输运的重要途径。本文给出了由垂向速度梯度和密度分层效应共同主导的异重流流场随时空的演化过程，分析了外区，内区以及最大水平流速层的特性。　　为了实现光学测量，本文实验中用低颗粒浓度的成分驱动异重流来研究异重流中的颗粒运动。实验结果表明异重流的颗粒输运强烈的受到其流动结构的影响，是向上的湍流作用力和颗粒的重力沉降共同作用的结果。颗粒在流动外区的分布和K-H不稳定性有直接的关系，也呈现出“优先聚集”的特征。R-T不稳定性对于内区的颗粒分布起着重要的作用。最大水平流速层具有阻止内区和外区的颗粒交换的隔板效应。颗粒的存在具有明显的湍流调制效应，会改变异重流的流场性质，对于涡量场、旋转强度、湍动能和湍流耗散率等都有显著的影响，而这种影响和颗粒的粒径、颗粒的分布和流动本身的性质都相关，是一个复杂的双向耦合的过程。特别是，实验发现随着颗粒的增大，K-H不稳定性和R-T不稳定性的相互作用会增强。