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湍流Rayleigh-Bénard（简写为RB）热对流和气动光学效应在军事工业和民用工业都具有重要应用价值，故而受到学术界的广泛重视。在RB湍流研究中的一大焦点在于热量是如何输运的，而在气动光学效应中依然缺乏精确预测湍流密度场分布的计算模型。因此，这两大问题都可归结为对湍流流动中标量场的变化规律的把握与刻画。湍流研究已经历了一个多世纪，但是仍旧没有实质性的突破。近年来，佘振苏教授把复杂系统方法论引入到湍流问题的研究中，提出了结构系综理论（简称为SED），构建了连接湍流理论与工程实践的平台。 本文基于结构系综理论给出了湍流RB热对流中刻画宏观传热性质的多层结构模型，即热输运宏观量Nu数与Ra数的SED模型:Nu=αRa1/7exp(γRaβ)，并结合实验数据给出了描述不同装置传热特性的模型参数。研究发现了模型参数与Pr数之间具有相关性，识别出在Ra=108-1012、Pr=0.7-7的区域中存在的两种流动状态。近一步分析发现参数之间呈线的幂次关系，这不仅简化了模型还可以给出精度在95％的预测结果。此外，本文将SED研究结果与RB对流研究中最经典的Grossmann-Lohse(GL)理论进行比较，证实了SED模型可敏感反应流动条件和流动状态的影响。 针对气动光学工程应用，本文还提出了基于结构系综理论的密度分布的多层结构模型，进而对可压缩平板边界层中湍流流动引起的光学传输效应开展分析。光学传输效应是由流场中密度场变化所引起的光学成像偏折、衰减和抖动等现象。据此，本文构建了可压缩平板湍流中密度场多层结构模型。该模型分别用四层和六层结构对平均密度场和脉动密度场进行描述，结合数值模拟结果初步确定了模型参数沿流向位置的变化关系。结果表明，该模型在Ma=6，Re=2.26×106流场中的光学效应预测值与真实值之间的误差在3％以内，初步证实了结构系综理论可用于刻画湍流标量场。 本文初步构建了具有多控制参数湍流标量场精确模型，在湍流RB对流研究中为解释动量与热量传输的规律提供了新方法，在气动光学传输效应的研究中为进一步建立包含Ma数和Re数效应的精确密度场预测模型奠定了基础。