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本文利用Shadowgraph、平面激光诱导荧光(LIF)两种流动显示技术和二维高速粒子图像测速技术(TR-PIV)对射流-自由液面相互作用问题进行了细致而深入的研究。在对速度场数据进行后处理过程中，采用了本征正交分解分析方法来捕捉流场中含能大尺度结构。文章从不同雷诺数和不同淹没深度两个角度分别进行阐述，分析了射流与自由液面相互作用特点，并揭示了流场中含能大尺度结构的空间特征及其演化特性。首先，作者根据实验要求设计并搭建了用于射流-自由液面相互作用研究的循环射流系统，并建立了用于定性研究的Shadowgraph和LIF两套流动显示测量系统，以及用于速度场测量的TR-PIV系统。为了对这一问题获得全面的认识，本文从两个方面分别进行阐述，即相同淹没深度下不同雷诺数情况(H/D=2，Re=1920、Re=3480)和相同雷诺数下不同淹没深度情况(Re=3480，H/D=2、4、6)。对相同淹没深度不同雷诺数射流与自由液面相互作用问题，通过比较Shadowgraph流动显示结果，获得了不同雷诺数射流其自由液面表面扰动特征。通过对LIF流动显示结果的分析，定性地揭示了自由液面对流场中大尺度结构的影响。随后，通过分析时均速度场、流向湍流度分布和射流扩散速率等时均场参数，进一步揭示了自由液面的存在对射流流场的影响。通过对瞬态速度场进行POD分解，比较分析了两种工况射流中大尺度结构的空间特点及其演化特性。利用旋涡强度法(swirlingstrength)对重构流场中大尺度旋涡进行识别，并阐述了两种雷诺数射流中大尺度旋涡在自由液面限制下的传递特性。对相同雷诺数不同淹没深度射流与自由液面相互作用问题，LIF流动显示结果给出了不同淹没深度下大尺度结构的空间特点。通过分析时均速度场，揭示了淹没深度变化对速度场分布的影响。随后，本征正交分解分析揭示了淹没深度变化对射流中占主导的大尺度空间结构的影响。利用旋涡强度法对重构速度场中大尺度旋涡进行识别，并阐述了不同淹没深度下大尺度旋涡与自由液面相互作用特点及其传递特性。