本文对圆柱绕流三维复杂流动与底床的相互作用进行了系统的大涡模拟和实验研究，揭示了复杂流动条件下局部冲刷的动力机制。在冲刷机制研究基础上对减轻局部冲刷的控制方法进行了探索。主要研究内容及结果如下：　　 ⑴采用地形彩沙显示图像技术实验测量了动床清水冲刷条件下圆柱周围床面演化过程。研究揭示了局部冲刷从初始的弱冲刷到强冲刷再逐渐减弱的冲刷规律，发现局部冲刷开始于圆柱两侧，不断向上下游扩展，最强冲刷过程发生在圆柱后角区底部即将冲通阶段。　　 ⑵基于粒子亮度模态建立了泥沙颗粒浓度的图像测量方法。应用该技术测量了圆柱下游对称面的悬沙浓度，发现悬沙浓度随冲刷率增加而增大。　　 ⑶采用大涡模拟方法和DPTV技术对三种地形工况下圆柱周围三维瞬时流场进行了系统的数值模拟和实验研究，数值模拟与实验结果符合较好。在细观框架下分析了冲刷发展过程中圆柱周围局部冲刷的动力机制。研究结果表明圆柱上游和侧面局部冲刷主要是由于马蹄涡和下洗流引起的高剪应力所导致，发现随着冲刷发展，基础附近二次涡增强，圆柱边界层分离推后，后角区涡量、剪应力和负压梯度增高；倒锥形冲刷坑形成后，冲刷坑内马蹄涡与尾涡相互作用增强，湍流动能增加，剪应力和负压梯度逐渐减弱。分析认为瞬时剪应力和床面附近瞬时压力梯度能够反映上述各流体动力因素对底床冲刷的影响。　　 ⑷采用水气比拟方法和动网格技术建立了自由表面和三维流场的耦合计算平台，对有自由表面圆柱周围流场进行大涡模拟。研究自由表面对圆柱周围三维流动尤其是对近底部流动的影响，发现在较低来流雷诺数时自由表面对近底部局部冲刷流体动力因素，如涡量、湍流、剪应力和压力等影响较小，来流雷诺数较高时影响非常明显。　　 ⑸在细观框架下以瞬时剪应力和床面附近瞬时压力梯度作为泥沙起动和冲刷的流体动力因素建立局部冲刷的三维数学模型。应用该模型实现了对圆柱周围三维流场、泥沙输运和床面演化过程的大涡模拟耦合求解，泥沙浓度场和床面演化过程的模拟结果与实验符合较好。研究结果表明圆柱上游和侧面主要以底沙(推移质)运动为主；圆柱下游包含有底沙和悬沙的共同运动，冲刷初始阶段主要是底沙运动，圆柱下游床面冲通前，悬沙浓度明显增高，与底沙浓度同量级，泥沙浓度达到最高，倒锥形冲刷坑形成后，底沙和悬沙浓度逐渐降低。　　 ⑹基于建立的冲刷模型采用大涡模拟方法研究了减轻局部冲刷的控制方法。对圆柱开槽尺度进行了优化研究，发现槽宽变化对近底部流场和减轻床面冲刷影响明显，槽长变化影响较小。