内部具有孔隙的固体物质称为多孔介质,通常大自然中的多孔介质具有复杂的孔隙结构,很难用模型或者参数去表征。多孔介质和流体的耦合流动过程中的物质输运问题广泛应用于从生物学到地球物理学等多学科中。例如河床的孔隙尺度会影响溶质在河流中的运移和分散;细胞膜的渗透性对细胞内物质的交换有着至关重要的作用;地质层的孔隙结构会影响石油的开采率。更好的认识多孔介质内部流体的滑移规律和流动特性,对很多领域和行业都会有很大的帮助,因此对流体和多孔介质耦合流动的研究具有重要的意义。尤其是湍流横掠多孔介质时交界面处的边界条件并没有成熟的理论研究,仍然需要深入的研究和探索。本文基于前人的研究基础,采用数值模拟和实验研究相结合的方法研究了湍流流体横掠多孔介质的流速分布、滑移规律以及传质机理。本文建立纯流体和多孔介质的流动区域三维数值模型,通过挖空固态相形成孔隙结构通道的方式构建多孔介质区域的三维模型。采用单域法进行模拟,即在纯流体和多孔介质区域使用相同的控制方程,因此不需要在流-固交界面处再进行边界条件的处理。将三维模型导入Fluent软件中并使用标准k-ε模型来闭合方程组,通过变化仿真的参数来研究孔隙率、相对水深和雷诺数对结果产生的影响,并将数值计算结果与二维流速实验数据进行了比较得到了良好的一致性,验证了所建立数值模型的可行性和准确性。为了进行实验研究本文设计并且搭建了可视化水槽实验台,使用实验台的循环系统和速度测量系统以达到测量流体横掠多孔介质时流速分布的目的。本文使用超声波多普勒测速仪测量流体的速度,且其通过发射和接受超声波的频率进行测量速度,因此不用侵入多孔介质内部即可测得多孔介质内部的流速。采用堆积球形珠的方式组成多孔介质长方体,应用多种堆积方式获得不同孔隙率的多孔介质。为了更好的探究多孔介质内部及其交界面处流体流动特性,本文从多个研究方向进行了实验研究,主要分为一维流速实验研究、二维流速实验研究和纵向变化孔隙率的底床实验研究。通过超声波多普勒测速仪得到流体一维水平方向的主流速,利用多种实验方案的组合研究了雷诺数、相对水深和孔隙率对流速分布的影响。分析了滑移规律和流速的分布趋势及其形成原因,并且探讨了流体在多孔介质内部的穿透深度对各参数的敏感性。结果显示雷诺数的增大导致滑移速度增大,孔隙率和相对水深的增大导致滑移速度减小;雷诺数和相对水深的变化不会影响过渡层区域。利用超声波多普勒测速仪的二维测量模式可以同时测量水平和竖直方向的流速,通过二维测量方法深入地研究了湍流流体横掠多孔介质时的速度分布,探讨流-固耦合流动的传质现象。重点研究了扩散流速在多孔介质上方及内部的分布趋势,得出流体在竖直方向上的扩散是由重力、多孔介质的阻力和毛细力、静压差以及球形体的排列方式等多种因素共同决定的。且在竖直方向上不同的位置会由不同的因素起主导作用,而雷诺数和相对水深的变化对扩散流速并未产生重要的影响。本文采用纵向孔隙率变化的多孔介质底床进行湍流流体横掠多孔介质实验,同样分析了各参数对实验结果的影响。研究了多孔介质纵向的孔隙率变化如何影响流速的分布趋势。结果显示孔隙率的分层使得多孔介质对流体的阻碍作用不同,导致大的孔隙率层内的流动速度明显偏大,因此多孔介质底床内部也产生了速度分层现象。流-固交界面处以及多孔介质内部不同孔隙率层的交界面处均产生了速度滑移,且流动速度随各参数变化的趋势在大的孔隙率层内表现更为明显。