当流体分界面受到冲击加速时,界面上的扰动不断增长,最终引起流体之间的湍流混合,这种典型的流动不稳定性现象称为Richtmyer-Meshkov不稳定性(RMI)。鉴于RMI在可压缩湍流、超燃冲压发动机、惯性约束核聚变等学术和工程领域的应用价值,世界各国开展了大量的研究工作。不过目前的研究主要集中于二维RMI问题,而对自然界中普遍存在的三维RMI问题,由于界面生成困难、理论分析复杂、数值计算昂贵等原因,研究较少。本文通过实验和理论方法研究了极小曲面特征的三维气柱和三维扰动界面与激波的相互作用,分析了系统的三维特征对RMI演化的影响。在实验研究方面,极小曲面特征的气体间断界面被应用于激波管实验。这种界面产生方法基于肥皂膜技术提出,界面形状通过界面边界控制,界面边界通过实验装置固定,形成的三维气体间断界面具有初始形状精确可控等特点。根据界面边界的不同,本文形成了极小曲面特征的气柱和极小曲面特征的单模扰动界面,为三维RMI的实验研究奠定了基础。在平面激波与极小曲面特征气柱相互作用的实验研究中,气柱的初始形状对界面不稳定性的演化产生重要影响。无论气柱内气体是六氟化硫(SF6)还是氦气(He),气柱在垂直于轴向的不同截面上演化规律明显不同,这种现象的产生与气柱的初始形状密切相关。当激波经过三维气柱时,界面上沉积的涡量除了包含沿气柱轴向的分量以外,还包含沿气柱表面周向的分量。由于极小曲面特征的界面的主曲率方向相反,不同方向的涡量分量诱导的不稳定性演化相互抑制,气柱的尺度增长比二维情况慢。在平面激波与极小曲面特征单模扰动界面相互作用的实验研究中,界面上扰动幅度的增长受到抑制。在air/SF6为代表的轻／重界面实验中,界面主曲率对三维RMI扰动增长产生了抑制作用,扰动幅度增长率比二维情况降低了约40%。在SF6/air为代表的重／轻界面实验中,扰动增长出现反相过程,采用激波作用前后的扰动幅度平均值计算扰动增长率并对实验结果进行无量纲化时,不同初始振幅的扰动幅度增长曲线趋于一致。在理论研究方面,本文基于系统的线性稳定性分析提出平面激波作用下任意三维扰动幅度的增长模型,定量分析了界面主曲率对三维RMI演化的影响。在扰动演化前期,该模型得到了本文和国际上其他研究组的实验结果的验证,在扰动演化后期,利用经验公式得到的非线性扰动增长模型在更长时间范围内与实验结果吻合,实验结果证实了3D RMI模型的有效性。在柱面激波与球形气泡相互作用的实验研究中,透射激波在气泡内部聚焦并引起气泡的下游界面产生射流。在激波入射阶段,柱面激波的强度逐渐提高,与平面激波情况相比,透射激波聚焦产生的压力突跃较高,射流速度较快。由于柱面激波的波后压力逐渐提高,气泡在压力梯度的作用下减速,界面不稳定性得到进一步增长。在激波反射阶段,流场中形成涡环,在反射激波的作用下,流场中无序运动显著增强,最终湍流结构形成。柱面激波与球形气泡相互作用的实验研究为更复杂的曲面激波与扰动界面相互作用的研究打下基础。本文系统研究了三维效应对激波-气柱和激波-扰动界面两种典型的RMI问题的影响,为三维RMI研究提供了新的思路。由于界面产生方法消除了支架和支撑物的影响,激波作用下界面的演化形态对称,实验结果受到的干扰较小,为三维RMI理论模型和数值代码的验证提供了可靠的数据支持。