本文以超声速及高超声速飞行器内流道中激波与湍流边界层相互干扰(SWBLI)为研究对象,采用实验与大规模数值模拟相结合的方法,对超声速湍流边界层及SWBLI流场组织结构和动态特征进行了研究。研究中建立和实现了可压缩湍流直接数值模拟方法(DNS)与大涡模拟方法(LES),其中采用了具有无耗散特性的分裂式高阶熵守恒形式的四阶中心差分方法、并通过类TVD特征滤波处理实现激波间断捕捉等;实现了‘数值滤波’和‘回收-调节’两种非定常湍流边界层生成方式,并实现了基于‘混合时间-尺度模型’和‘一方程模型’两种亚格子模型的LES数值模拟方法;通过NPLS流场显示和DNS数值模拟研究了超声速湍流边界层内部拟序结构,基于空间自相关分析和条件统计确认了速度条带结构的存在,并探讨了其特征尺度分布,揭示了与速度条带紧密关联的准流向涡结构;基于粒子轨迹积分和有限时间Lyapunov指数(FTLE)方法提取了湍流边界层内部典型的拉格朗日拟序结构,揭示了湍流边界层内部湍流输运特征。分析了SWBLI流场与理论无粘激波反射中波系结构及主流参数的差异,对比研究了不同入射激波强度下SWBLI流场时均波系结构、边界层形态及分离区尺度的变化,并在此基础上验证了SWBLI自由干扰理论;基于雷诺平均对SWBLI流场流向动量平衡进行了分析,确认了压力梯度与当地动量平衡在SWBLI流场中的主导作用;针对中等强度SWBLI流场开展了低频不稳定性研究,确认SWBLI流场动态特性对干扰强度的依赖与其时均意义上的‘自由干扰’共存。通过高分辨率NPLS流场显示、PIV速度场测量及DNS数值模拟揭示了SWBLI分离流场中存在的大尺度拟序结构及其与外层波系结构的相互作用;基于DNS数值模拟结果进行了时间/空间相关分析及条件统计,发现SWBLI分离流场大尺度对流结构与来流湍流边界层对数律层大尺度速度条带结构存在明显相关性;采用FTLE方法对SWBLI流场拉格朗日拟序结构进行了提取和分析,观察到湍流涡结构在分离点附近的显著变化以及SWBLI流场涡结构形态、尺度的显著差异。通过LES数值模拟研究了侧壁效应下的SWBLI流场三维组织结构,揭示了侧壁效应下时均SWBLI分离流场与准二维SWBLI流场的显著差异,发现了有限展向尺度及侧壁边界层作用下的SWBLI三维分离流结构变化规律,确认了伴随入射激波划过侧壁边界层时产生的后掠SWBLI流场结构及二次激波的生成、主入射激波结构的变形、强度变化等的影响,并基于此建立了侧壁效应下SWBLI流场组织结构分析物理模型。通过引入micro-ramp构型涡流发生器对上游湍流边界层及SWBLI流场拟序结构进行了诱导控制研究,揭示了micro-ramp对湍流边界层底层低速流体独特的收集和再分布功能。与湍流边界层自身速度条带结构相比,micro-ramp尾流在湍流边界层中形成的速度条带展向位置相对固定,时均意义上SWBLI区激波脚和再附点依次呈现展向波动,并将原本大尺度的分离流区割裂为展向排列的小尺度分离区。