根据强扰动与边界层作用形式的不同，强扰动可以划分为：边界层外的钝体尾迹扰动和边界层内的表面结构扰动。本文综合采用二维PIV、TR Tomo-PIV以及折射率匹配等多种实验技术对多种形式的扰动：边界层外展向尾迹涡扰动、边界层内半球扰动和相互作用的新月牙形沙丘扰动，作用于边界层分别进行了实验研究。实验表明以上三种形式的强扰动均会与边界层直接作用，从而产生新的相干结构：展向尾迹涡扰动在边界层中诱导产生展向二次涡结构；半球扰动下游周期性诱导产生发卡涡结构；相互作用的新月牙形沙丘背风面呈现出复杂的分离涡结构。对比湍流边界层中TR Tomo-PIV数据的分析结果，发现边界层在强扰动的直接作用下所产生的新相干结构并没有直接表现出湍流边界层中相干结构的存在形态(发卡涡、发卡涡涡包、大尺度高低速条带结构等在空间中的组合形态)，并且在不同形式强扰动的作用下，边界层中新生成的相干结构呈现了更加丰富的特征形态。因此，本文分别对不同形式的强扰动作用于边界层进行了实验研究，得到如下主要结论：1．展向圆柱尾迹在与边界层的直接作用过程中产生了新的相干结构—二次涡结构，从而引起了边界层的旁路转捩。运用TR PIV对整个转捩过程进行实验，发现尾迹涡对二次涡的诱导发卡涡的演化发卡涡涡包的生成均起到了加速和抬升的作用。基于条件平均的统计结果得出：在转捩过程中发卡涡的涡头向上抬升与壁面垂直，约90°的倾角；在转捩末段，发卡涡涡包也呈现出更大的统计特征，与壁面的倾角达到了17°，在法向高度为0.2δ的流向/展向平面内涡腿之间的展向间距为0.55δ。2．运用动力模态分解方法(DMD)对半球扰动下游发卡涡结构TR PIV速度场进行分解，从时域角度有效地分解出了剪切流中发卡涡结构主模态和发卡涡在壁面位置诱导出的次级相干结构模态；同时，运用正交模态分解（POD）从能量的角度，证实了发卡涡结构在随着向下游传播的过程中能量逐渐衰减的特征，从而对整个半球扰动下游流场的相干结构有了多角度的认识。3．基于折射率匹配方法，选取透明高分子材料Uoptic2制作新月牙形沙丘模型，碘化钠溶液作为流体介质实现了532nm激光折射率的匹配，从而解决了PIV等光学实验中固体模型与液体边界导致光学反射、折射、变形等难题。获得了边界层中相互作用的同轴、偏轴新月牙形沙丘周围不同法向高度流向/展向平面内的全局速度信息。对于相互作用的同轴沙丘工况，上游的沙丘尾迹涡会直接脱落作用在下游沙丘迎风面上，从而改变了下游沙丘的来流能量强度，降低了下游沙丘顶部尾迹流动的雷诺应力强度和涡强强度。对于相互作用的偏轴沙丘工况，下游沙丘的存在改变了上游沙丘翼角的分离流，也改变了上游沙丘回流区内的对称性，增强了展向的雷诺应力强度，下游的沙丘在受到了倾斜的集中来流的影响后，尾迹流动也呈现出不对称性。4．通过条件平均、能谱分析、泰勒冻结假设以及空间互相关等方法对湍流边界层中时空四维的TR Tomo-PIV数据进行分析，对发卡涡、发卡涡涡包、低速条带等相干结构的空间拓扑形态及相互关系有了进一步的认识：大尺度的高速、低速条带结构在空间中交替分布，并且低速条带有被高速条带包裹的趋势，小尺度的发卡涡结构分布在高速条带与低速条带之间发挥着缓冲作用，并对边界层内部动量的交换具有传输作用。