大样本数的流动显示图像和速度测量连续时间信号数据是超声速混合层湍流结构系综统计分析的基础。空间结构的完整描述依赖于大量的流场瞬态显示图像；湍流结构的时空演化过程需要通过大量连续结构脉动信号分析来获得。对比于不可压流动，可压缩湍流流动需要更多的物理参数才能进行描述，而实验技术和计算方法在可压缩流动的研究中还存在诸多技术困难，导致目前仍不了解可压缩湍流结构的演化机理。一套能够实现长时间、连续稳定的超声速湍流混合层的双喷管风洞设备成为获得可压缩剪切湍流大样本实验数据的必要的基础实验平台。该设备还应实现对流马赫数能从低到高连续变化，且易于实施流动显示和点测量等多种实验手段。国内和国际相关研究领域尚缺乏满足这一研究需求的实验设备。　　 本论文设备研制的目的是设计一座新型的超声速湍流混合层风洞设备，以满足超声速混合层湍流结构系综研究的要求。在充分调研和分析的基础上，本论文提出了一套采用常规超声速加高超声速吹引式风洞的双喷管风洞总体布局方案。为了实现这一总体布局方案，本文提出了如下设计方案：设计一座满足高超声速吹引式风洞结构强度和温度要求的双喷管风洞；利用已有的常规高超声速吹引式风洞的气源、加热器、试验段、超扩段、引射器、亚音速扩压段、风洞调压系统、控制系统、纹影系统及附属配套系统，将风洞的拉瓦尔喷管和稳定段替换成双喷管风洞；将双喷管风洞的试验段密封在常规高超声速吹引式风洞的试验段内，从而实现高超声速湍流混合层的持续稳定流场。　　 依此方案建成的双喷管风洞设备，经过流场调试试验，形成了长时间、连续稳定的平面超声混合层流场。通过更换喷管组合，实现对流马赫数从低到高连续变化的能力。通过瞬态纹影和长时间纹影监控，获得了实现稳定可压缩混合层流场的控制技术参数和基本流场性质。经过调试后，该设备所形成流场的瞬态纹影图像清晰地显示出混合层中的大尺度相干结构，证明该设备模拟了稳定的平面超声速湍流混合层流场。　　 本论文研制了一套适用于平面超声速混合层流场的平面激光米氏散射实验系统，该系统主要包括液体粒子播发系统、片光光路系统和实验暗室等。通过详细调研和论证以及不同喷嘴的雾化试验，设计制造了气液两相流雾化喷嘴，气体和液体流量分别可调。采用与风洞稳定段相似的结构实现了示踪液滴与高压气流的均匀混合。粒子直径和均匀性的监测采用了探头取样、显微观测方法。液体增压装置采用了高压气体增压方式，同时采取了手动控制、流量监控、压力监控、流场反馈等控制方式。该液体粒子播发系统经过调试和反复改进，其性能已完全满足超声速混合层米氏散射实验的需要。　　 本论文研制平面米氏散射法片光系统主要目的是获得大光场、强度均匀、小厚度的片光，方便实施三维流场观测，并对片光光路进行减震等。本论文采用了由一组柱面镜和球面镜组成的片光生成光路系统和导光臂，可灵活改变片光位置，光路传输损失很小。导光臂和减震支撑系统减小了洞体振动对片光系统的影响。为降低来自试验段的散射光，本论文对实验段各处进行了背景去光处理，通过实验段侧壁贴附低反射纯黑彩纸、入口小宽度光阑、底板安装激光片光透射光收集器、实验段暗室等技术手段，系统去除背景光干扰以获得高信噪比的流场图像。　　 本论文进行了对流马赫数分别为Mc=0.107和Mc=0.474的平面激光米氏散射显示实验，获得了大量的流场瞬态结构图像。该图像集提供了大样本空间结构数据，为湍流结构系综统计和空间分布研究提供了有价值的瞬态湍流结构图像。混合层中出现的流动结构瞬态空间特征和系综统计性质的计算结果表明，本论文实现的超声速混合层流场和平面激光米氏散射实验系统可以为湍流结构系综研究提供高质量的大样本空间结构图像集。　　 为了获得湍流结构的系综分析需要的平面超声混合层流场长时间、连续脉动信号，本论文建立了热线测量系统，主要包括气源净化系统和二维移测机构。本论文解决了双喷管风洞设备气源净化问题，达到了热线测量对气源净化的基本技术要求，设计和加工了净化系统，实现了过滤后高压气流中最大颗粒小于2μm的技术目标。同时，专门设计了热线探头移动测量机构和探头支撑机构，使探头在混合层流场中能精确定位，可实现移动和重复定位精度为0.625μm。本研究利用热线测量系统测量了对流马赫数分别为Mc=0.107和Mc=0.474的超声速混合层流场，获得了平面超声混合层流场长时间、连续脉动信号，满足了湍流结构的系综分析的需求。实验获得的沿流向平面的全流场复合湍流热线信号，展示了不同跨流向和沿流向位置的湍流结构时间演化的统计性质。研究结果表明本论文实现的可压缩湍流混合层流场和热线测量系统可以为湍流结构系综研究提供高质量的实验数据集。　　 本论文所建立的可压缩湍流混合层发生系统、流场显示和流场测量系统获得的高质量大样本数据集，为超声速混合层湍流结构系综研究提供了可靠的平台。