湍流被认为是经典物理留下的世纪性难题，在计算流体力学领域如何准确预测流体从层流至湍流的转捩过程依旧是重大挑战之一。湍流统计理论和层次结构理论对湍流多尺度结构进行了物理表达，实验和数值研究也显示出流动结构对于湍流产生以及转捩过程的重要性。单涡能量最小多尺度（Energy Minimization Multi-scale, EMMS）湍流模型利用湍流稳定性条件、涡团成分流体的动力学方程以及系统动量、质量守恒方程一起求解得到湍流局部结构物理量，该模型视单相湍流由层流流体成分和涡团流体成分组成，通过涡团体积分数表征湍流的非均 匀结构，改进了雷诺平均方法模拟湍流的精度。本文在单涡 EMMS 湍流模型基础上，进一步考虑大尺度涡和小尺度涡共同控制，建立和发展以介科学为基础的双涡介尺度湍流模型，实现层湍转捩问题成功预测，具体研究工作如下： （1）对基于EMMS原理探究湍流的相关工作进行系统回顾和整理，概述当前湍流转捩的理论、实验、数值研究进展，以及工程预测中的常用湍流转捩模型，分析湍流中多尺度结构及湍流统计理论和层次结构理论中蕴含的尺度划分和结构分层构思，阐述湍流中的相干结构和转捩中的涡结构变化的唯象认识，并利用湍流中的多尺度结构分析引出涡团介尺度结构对于建立湍流模型的启发作用。 （2）利用多尺度结构分析将湍流体系划分为非湍流成分流体和以双涡结构为特征的湍流成分流体，依据动力学方程和能耗率表达式建立双涡EMMS湍流模型，并利用层流和完全湍流下分别对应的两个能耗率极值条件在竞争中协调的作用原理构建适合层湍转捩问题的极值条件封闭模型。 （3）求解双涡EMMS湍流模型并分析求解得到的湍流非均匀结构物理量，考察不同极值条件下的模型求解结果，并阐明构建的极值条件对于描述湍流转 捩问题的有效性，对双涡EMMS湍流模型参数的物理含义进行拓展与探究。 （4）根据双涡EMMS湍流模型的计算结果拟合得到湍流涡团体积分数代数表达式，利用该表达式改进 ? − ? SST 模型，依据转捩机理构建计算层湍转捩过程的新湍流模型，利用层湍转捩等算例验证新湍流转捩模型，并对模型未来改进方向进行了展望。