随着高超声速飞行器的发展,边界层转捩问题更加突出。一方面,由于飞行器在层流中所受的阻力和热流与湍流时有很大的不同,高超声速流动中的转捩现象会导致飞行器阻力和表面温度的急剧增加。如果高超声速飞行器表面边界层保持完全的层流状态,飞行器有效载荷和总重的比值将会相比湍流状态增加一倍。因此,研究高超声速边界层转捩对高超声速飞行器设计具有重要的推动作用。本文针对高超声速平板边界层自然转捩和粗糙元诱导旁路转捩进行了风洞实验研究。对于高超声速平板边界层自然转捩,利用红外热成像技术研究了不同来流马赫数和单位雷诺数下平板边界层自然转捩特点,并结合压缩性修正的转捩模型进行转捩预测;对于粗糙元诱导的高超声速平板边界层旁路转捩,研究了不同粗糙元构型、粗糙元高度和马赫数对粗糙元尾迹及转捩的影响。对于高超声速平板边界层自然转捩,风洞实验预测的转捩位置和压缩性修正的转捩模型预测的结果基本一致。研究发现随着单位雷诺数的增加,转捩位置前移,转捩雷诺数增加。另外,压缩性有稳定边界层的效果,相同单位雷诺数下,马赫数提高,转捩雷诺数增大。对于粗糙元诱导的平板边界层旁路转捩,研究发现粗糙元诱导的尾迹区可分为三个区域,第一是粗糙元上下游的分离区,对应着“马蹄涡”和流向涡结构的形成;第二是流向涡的发展区,该区域粗糙元尾迹区宽度的保持恒定,并且尾迹中心线两侧热流密度较高;第三是“转捩楔”区域,该区域尾迹宽度开始增加,流动已发展成湍流。实验结果表明,粗糙元高度越高,诱导转捩效果越好。不同粗糙元构型诱导转捩的差异,在粗糙元高度较低的情况下不明显,在粗糙元相对高度较高时才明显:对于粗糙元构型,菱形粗糙元诱导转捩效果最好,方形效果最差。增大马赫数边界层更稳定,粗糙元诱导转捩效果变差。