本论文从湍流结构系综理论的基本框架出发，对一类可压缩非均匀湍流-可压缩剪切湍流-的结构系综的宏观统计行为进行了研究。获得了可压缩自由剪切流厚度的压缩性效应及其定量提取方法；系统分析了可压缩壁湍流结构系综在对流过程中的时空运动学过程，提出了反映小时空尺度结构行为的Taylor时空尺度的概念并获得了压缩性效应下的小尺度对流速度；为研究对局部湍流效应直接相关的湍流结构系综，本论文通过归一化速度-涡量相关张量场的幅值分布，提出了一种新的统计结构-速度-涡量相关结构(Velocity-Vorticity CorrelationStructure，VVCS)，结果表明这种与参考系相关的统计结构有效识别了非均匀剪切流动中的拟序运动。结果展示了所提取的统计结构的几何性质随参考点yr+变化及其在全流场中的总体性质，这突破了传统的识别与参考点无关的结构的基本观点。　　 首先，本论文对两种对流马赫数(Mc=0.11和0.47)情况的可压缩湍流混合层进行研究，获得了激光片光米氏散射(PLMS)实验获得的图像，从全空间统计分布分析了实验条件对混合层大尺度结构的影响。瞬时结构的显示结果表明，可压缩混合层的空间发展有拟序结构形成、拟序结构卷并和拉伸、拟序结构耗散和进入湍流这四个阶段。本论文从相似性原理出发，提出了灰度系综平均方法(GLEAM)，用于准确提取平面混合层图像显示的全流场厚度函数。该方法中提出了跨流向灰度系综的概念，引进用于分析有限长度非周期信号的系综经验模分解(EEMD)方法，建立了集中反映混合层中心区混合效应的厚度迭代算法。在可压缩全流场范围内，厚度增长率从统计上真实反映了拟序结构空间发展的非线性过程。两种对流马赫数情况下的增长率均可以划分为五个不同的厚度增长阶段(其中，Ⅰ，Ⅱ区属于初始混合阶段；Ⅲ，Ⅳ属于增长阶段；Ⅴ属于发展阶段)，但本实验发现压缩性使得混合层的发展段明显提前，这也与瞬时结构在压缩性作用下的发展情况相吻合。GLEAM方法有效解决了对于混合层实验图像分析中的定量精确获得局部混合层厚度的难题。本论文还通过粗粒化灰度梯度能谱分析，发现了在两种对流马赫数情况下的不同的标度规律，为可压缩剪切流动实验结果的多尺度结构分析提供了新的分析工具。　　 其次，本论文利用两种来流马赫数条件(Ma=0.8和2.0)的可压缩槽道流的直接数值模拟结果，计算了在不同壁面区域的时空相关场，系统分析了湍流中对流速度的尺度依赖性，发现了在可压缩情况下在时空分布中的“双对流”现象，认为该现象是由于结构子系综的对流速度出现较大差异所导致。进一步，针对小时空尺度结构的对流速度无法预测的难题，应用连续性原理，提出了对流过程的Taylor时空尺度新概念，获得了 Taylor尺度对流速度壁面律及其压缩性效应，发现了小尺度结构对流过程与大尺度结构对流过程的差异性-不可压缩情况下，Taylor时空尺度在全流场具有基本不变的对流速度，即全场一致的类波动性；而在压缩性影响下，中心区的对流速度与平均速度接近，在压缩性明显的情况下甚至超过平均速度。该结果表明Taylor尺度对流速度抓住了小尺度结构(如压缩波系)子系综的宏观统计行为。该方法为全面了解不同尺度情况下的湍流对流行为提供了新方法。　　 最后，本论文利用槽道湍流场(ReT=180)的直接数值模拟结果，通过分析归一化速度-涡量相关张量场(uiwj)的幅值分布并从中识别出大尺度统计结构-VVCS。VVCS有效定性和定量地提取了近壁条带结构([1])(以(uwz)描述)、准流向涡结构([2]；[3]；[4])(以描述)，及其到达yr+=110壁面距离范围的长度、间距和倾角等特征量。更为有趣的是，与流向速度脉动相关的涡分量形成的VVCS结构，在不同参考壁面位置的拓扑结构将壁湍流区域划分为四个区域(其空间转捩位置分别为yr+≈20，60，110)，从几何结构的差异展示了壁湍流的多分层结构性质。特别是，本研究发现(uwx)的VVCS结构在中心区形成泡状拟序结构，其性质与近壁沿流向拉伸、与壁面倾斜的流向结构不同。VVCS结构从本质上体现了空间两点(结构与效应)互相关的强度，因此VVCS方法所提取的统计结构与研究关心的局部湍流效应密切相关。本论文结果展示了统计结构的几何性质随反映湍流局部效应的yr+变化规律，以及统计结构在全流场中的总体性质，这突破了与参考点无关的结构识别的传统观点。本论文的研究提出可变几何结构的集合，对于湍流结构和根据湍流结构模化平均流场的研究有启发性。只要对系综平均有完善的定义，则该VVCS的概念和方法对其它流动系统，如边界层和混合层等，也适用。　　 本论文针对典型非均匀剪切湍流中的结构系综开展研究，应用结构系综理论，对湍流的相似性、时空尺度、与局部效应相关的大尺度结构等结构系综的统计行为、几何形态和运动学规律进行探索；提出了跨流向灰度系综、Taylor时空尺度、速度-涡量相关结构等新概念。依次对剪切湍流结构的宏观统计量，如混合层厚度和增长率等；时空尺度依赖性，如对流速度的尺度依赖关系和小尺度结构对流速度等：与壁面位置相关的统计结构(VVCS)，如三维拓扑结构性质和壁湍流的多层次性，定性和定量地从结构宏观统计行为到运动学和空间几何性质，逐步深入地进行了研究。发现了实验条件下可压缩混合层厚度增长率的非线性变化规律、壁湍流中Taylor时空尺度对流速度的压缩性效应以及壁湍流统计结构的多分层性质。