三维流场是三维空间中流体流动的全部范围,准确测量三维流场对于航空航天、国防工业、海洋开发、气象预测等领域有着极其重要的作用。在众多三维流场测量仪器中,多孔探针作为一种经过验证的、成熟的、高性能的流场测量仪器,有其独特的优势。为了改善其测量精度,提高其测量效率,本文基于数值模拟方法对多孔探针测量中层大气进行了研究。首先,对多孔探针的结构进行了优化设计。对比分析了不同种类多孔探针的测量性能,从而确定了以七孔球形探针为研究对象,研究分析了多孔探针主要结构参数对静压感测精度的影响,利用正交实验设计了不同结构参数组合的七孔探针数值模拟实验,并对结果进行了误差分析,得到了主要结构参数对静压感测精度的影响程度和显著性,确定了本文最优的七孔探针结构。其次,完成了七孔探针的数值校准。概述了七孔探针传统最小二乘法校准原理和流场测量原理,在优化设计的七孔探针基础上,利用计算流体力学的方法对七孔探针进行了校准实验,分析了压力系数的变化曲线,研究了角度拟合误差的分布情况,定量给出了各区参数的拟合误差大小。再次,设计了一种新的多孔探针测量校准模型。使用遗传算法改进了BP神经网络容易陷入局部最优的缺点,研究设计了遗传算法改进优化BP神经网络的工作流程,依据七孔探针校准原理,借助人工神经网络的“黑盒”效应构建了一种具有2输入4输出的改进神经网络七孔探针测量校准模型。经对比分析,改进优化后的BP神经网络在校准七孔探针过程中拥有较高的精度、较少的待定系数,更快的校准速度和更高的校准效率。最后,针对多孔探针测量中层大气湍涡的背景,利用子波变换对多尺度湍涡进行了研究分析。利用大涡模拟方法,研究了圆柱绕流来流速度和圆柱直径对涡旋尺度的影响,利用双圆柱绕流构建了多尺度湍涡环境,分析了子波变换应用于多尺度湍涡分解的合理性,使用探针获取计算域中某一点的脉动速度,结合子波变换对速度信号进行了分解重构,得到了多尺度湍涡环境中不同尺度单一湍涡与子波变换尺度参数的对应关系,验证了结合子波变换信号处理的多孔探针测速系统在多尺度湍涡测量中的可行性。