明渠湍流结构的研究已有悠久历史。因受水面比降、河床比降、河宽、尾水高度等多因素影响,对于明渠非均匀流的湍流结构认识还不充分,且明渠均匀流的湍流结构研究成果无法直接应用于非均匀流。而自然界大多数河流或渠道为非均匀流,涉及到非均匀流工程实践又迫切需要加深对明渠非均匀流湍流结构认识。因此,开展明渠非均匀流湍流结构研究,丰富了湍流基础理论,同时,对于相关工程领域有重要的实践意义。本文研究的主要目的在于加深对明渠非均匀流湍流结构的认识,采用高频率粒子成像测速系统(PIV)结合28m高精度变坡水槽,探索非均匀流的紊动统计特性以及湍流结构运动特征,提出非均匀流湍流结构运动模型。得到以下三个方面的主要成果:(1)在非均匀流紊动统计特性方面:结合理论分析与水槽试验结果表明:随减速流发展,摩阻流速沿程减小、雷诺应力在水深方向上的分布呈凸型曲线分布以及垂向速度紊动强度逐渐增加;加速流中摩阻流速沿程增加、雷诺应力在水深方向上的分布呈凹型曲线分布。非均匀流内区的垂线速度分布仍符合对数律。其中,卡门常数与非均匀流水深变化率(d H/dx)呈非线性关系,积分常数与非均匀流水深变化率呈线性关系,.(10)-(28).dxd HC07502336。(2)在非均匀流湍流结构尺度特征方面:结合速度梯度张量与模式匹配法优点,运用区域生长技术,提出了改进的横向涡识别分析方法。基于功率谱、等速区域以及改进的横向涡识别分析方法,对非均匀流超大尺度结构、大尺度结构以及横向涡结构的尺度分布进行分析,结果表明:超大尺度结构、大尺度结构以及横向结构的尺度随非均匀系数增大而减小,横向涡结构普遍表现为椭圆形状,长短轴比值在1.4~1.7范围内;其涡密度与长短轴比值随非均匀系数增加而增大。(3)在非均匀流湍流结构瞬态运动特征及演变模型方面:采用基于互相关算法形成的大尺度结构追踪技术以及本征正交分解方法,对非均匀流超大尺度结构、大尺度结构以及横向涡结构瞬态运动进行分析,结果表明:超大尺度结构主要含能结构在随非均匀系数增大而减小,非均匀流大尺度高低速流团各自集中出现以及相互掺混出现,集群纵向尺度随非均匀系数增大而减小,横向涡结构由大尺度高低速流团相互运动而形成。提出了非均匀流湍流结构演变模型:以水面区下扫流为湍流结构运动主要驱动力;形成超大尺度流向涡结构、大尺度高低速结构;大尺度高低速结构相互运动产生横向涡、发夹涡包以及水面泡漩结构。