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本论文的研究对象是湍流结构。湍流结构研究是认识湍流进而解决工程实际问题的首选途径。传统的湍流结构研究增进了人们对湍流有序性以及湍流产生机制的认识：然而传统的结构研究只关注流场中的部分流动形态，因此，未能完成对湍流的系统描述和定量刻画，也没有为解决工程湍流的封闭问题提供实质性的启迪。
本文作者认为流场中到处都是有结构的，湍流是由有限多种结构子系综组成的复合体。具有同一物理过程的脉动事件的总和组成湍流结构系综。在这种思想的激励下。本文跳出了传统的湍流结构的定义框架，以能量级串作为物理背景，赋予湍流结构一种新颖的定义-局部级串(LocalCascade)结构。本项研究有两个目的，第一，基于对湍流物理过程的定性认识，实现湍流结构子系综的完整划分，在结构子系综上开展定量的研究：第二，基于对湍流结构的系统认识。为更好地解决工程湍流的封闭问题提供理论基础。按照LC结构的定义，D维空间的标量场中总共存在22D-2种级串形态。
槽道湍流是研究湍流结构的典型流场。本论文采用LC结构分析了三个槽道湍流(不可压缩，马赫数分别为0.8和1.3的可压缩)(x，z)平面上的速度分量场，总共存在14种级串形态。根据槽道湍流的特点，将它们分成了五类LC结构：这五类LC结构覆盖了整个流场并且普遍存在于大、小尺度上，为完成定性分类下的定量研究奠定了基础。本文中计算了每一类结构在每一个(x，z)平面上出现的概率。定量地刻画了流场的有序性，揭示了不同速度分量之间的差异，首次发现了可压缩槽道湍流壁面处的特殊薄层，在那里存在复杂的非线性相互作用过程。在新的结构定义框架下提出了计算流场特征尺度的“最大能量方法”，计算了不同区域内速度分量场的特征尺度，重现了壁面附近的公认结果.得到了不同区域的特征尺度。这些统计结果构成了对壁湍流的系统描述和定量刻画。
对流现象是壁湍流的重要运动学特征。我们采用时空相关算法计算LC结构的对流速度：计算结果揭示了壁面附近对流现象的本质--大尺度级串形态的对流过程主要受涡结构的控制，小尺度的主要受速度脉动条带的控制。在壁面附近，对流速度对结构类型有一定的依赖性，不同速度分量的对流速度之间存在差异：在可压缩槽道湍流的近壁特殊薄层中，υ分量中LC结构的对流速度明显比邻近区域大。我们计算了不同尺度的LC结构的对流速度，与现有结果不同，本论文中的计算结果表明：在壁面附近，随着流向尺度的增加，LC结构的对流速度并不是单调变化的，具有最大对流速度的尺度接近于准流向涡的特征长度;在小于该尺度的范围内对流现象异常丰富。对流速度对展向尺度的变化不敏感。在y+＞40的区域内，所有尺度上的每一类LC结构的对流速度均等于相应平面上的平均速度。
亚网格应力是描述湍流场中不同尺度之间动力学相互作用的重要物理量。本文作者将亚网格应力展开成有限项加和的形式，各项分别对应着不同尺度上的Leonard应力。在本文的最后，推导了基于LC结构的Leonard应力的近似表达式，讨论了其零阶模型的可靠性；在解决一阶模型封闭问题的过程中，发现不同尺度的脉动之间满足普适的定量关系，利用这些关系得到的一阶模型在统计上比零阶模型有改进。这些理论和分析结果袁明了结构分类在构造湍流模型中的必要性和LC结构在该过程中的有效性，为更好地解决工程湍流封闭问题指明了方向。