Kolmogrov提出的动能级串经典K41理论，是目前认可度最高的湍流基础理论，其中，湍流动能级串传递方向性是直接影响湍流动能传递关系的关键因素。湍流动能级串K41的关键假设是小尺度湍流局部各向同性，而各向同性湍流在自然界不存在，受各向同性湍流实验装置人工生成难度制约，目前动能级串的实验十分少见；同时湍流建立过程中动能级串传递方向性实验研究要求实验测量技术必须具有高时间分辨率和高空间分辨率，目前尚未有实验能够明确给出动能级串传递方向性验证，因此本文开展了均匀各向同性湍流动能级串传递实验研究。

首先，对均匀各向同性湍流进行PIV实验测量，使用湍流盒装置在装置中心产生均匀各向同性湍流，并测量了两种工况即两个不同泰勒雷诺数的湍流速度场。借助于速度结构函数，能量通量及条件平均等方法，考察了湍流中的尺度效应及能级传递问题，分析了流场的瞬时能量通量， 通过结构函数计算耗散率与能量通量比较探究了湍流场能级逆传的问题。本文研究首次通过实验方法验证了动能级串正向和逆向传递同时存在，且具有尺度效应：随着尺度的增大，动能逆向传递的比例增大；同时，动能级串的传递与应力和涡量的空间分布具有较强关联性，最大能量通量出现在应变率张量最大区域。

其次，使用高频激光测量了两种工况即两个不同泰勒雷诺数的湍流速度场，测量频率为2000Hz，获得了时间尺度上高精度的湍流速度场。借助于速度结构函数，能量通量及条件平均等方法，考察了湍流中的尺度效应及能级传递问题，分析了流场的瞬时能量通量， 通过结构函数计算耗散率与能量通量比较探究了湍流场能级逆传的问题。与低频实验结果相比，高频实验结果同样验证了动能级串正向和逆向传递同时存在，且具有尺度效应：随着尺度的增大，动能逆向传递的比例增大；同时，动能级串的传递与应力和涡量的空间分布具有较强关联性，最大能量通量出现在应变率张量最大区域。通过计算高频实验耗散率的香农熵发现动能级串传递具有较强的时间相关特性。

最后，对均匀各向同性湍流及其中的液滴运动分别进行PIV和PTV的实验测量，测量了两个不同泰勒雷诺数下的高分辨率单相湍流速度场，并考察在湍流场中两个不同空气流量情况下的液滴运动，获得了高精度的湍流场和液滴速度场。借助于速度结构函数，维诺分析及条件平均等方法，考察了液滴在湍流中的团聚现象及其在重力效应下的基本特性，针对惯性颗粒倾向性聚集和焦散效应开展研究。本文研究首次发现了惯性颗粒倾向性聚集和焦散效应均具有尺度效应：在耗散尺度范围内，惯性颗粒二阶结构函数与湍流的标度存在明显偏差，颗粒表征出明显的焦散现象，同时团簇颗粒中的二阶速度结构函数与所有颗粒的平均二阶速度结构函数不同；在惯性尺度范围内，颗粒二阶结构函数与湍流的标度形式一致，同时所有分类的颗粒类型的二阶速度结构函数的标度关系相同。高浓度的团簇颗粒最可能与低动能流动结构存在空间相关，而空隙颗粒更可能与高动能流动结构相关。