后向台阶流动是一种具有代表性的分离流动,数十年来始终是湍流研究领域中的重点课题。迄今为止的研究揭示了流场中很多基础特性,然而仍有部分重要问题没有得到解决。在湍流结构的三维化过程及剪切层低频摆动现象的成因等问题上仍存在研究争议。本论文对雷诺数992≤Re≤21688条件下高度为H的后向台阶流场,在低速循环水洞及下吹式风洞两类平台中进行了实验研究。在实验中应用了多重曝光烟线流动显示、时间解析的二维及三维粒子图像测速法（PIV）、热线传感器阵列测量与合成射流激励等多种研究及控制方法,对各条件下的流场进行测量。实验数据处理过程中使用了相关性分析、谱分析及POD模态分解等数学方法,从多角度讨论及分析具有不同特征的三维湍流结构的演化规律。在不同平台中运用不同实验方法得到了一致的结论,证明了实验结论的可靠性。实验结果表明:二维涡结构在剪切层初始阶段产生并逐渐发展,随后在贴附区发生三维化,形成具有“Λ”形稳定空间特征且特征频率为St≈0.2的台阶模态。随后,“Λ”形结构向下游脱落,形成涡脱模态。多种实验结果证实:后向台阶流场中的大尺度结构存在展向错位配对机制。由于三维涡结构对其上游同类结构的诱导作用,前后相邻“Λ”形结构在贴附区下游倾向于错位配对。这一机制在脉动速度相关性分布中引起“X”形相关结构特征,并使得特征频率由St ≈ 0.2减半至St ≈ 0.1。该机制解释了以往困扰学术界的重要问题,是本文的核心贡献所在。实验还发现当Re≥ 2946时,流场中存在沿流向大范围延伸的流向涡结构。相邻流向涡对具有相反旋转方向,且其展向尺度受到台阶高度限制,使得流场具有λz≈2H的展向波长特征。流向涡结构的出现位置在展向缓慢移动,所引起的剪切层三维波状运动具有St<0.05的低频特征,其在流场纵切面内表现为剪切层低频摆动。随着雷诺数由Re=2946增大至Re=5906,低频流向涡结构在流场中所占比重逐渐增大。在雷诺数3232 ≤Re ≤ 21688及展高比12 ≤ w/H ≤20范围内,流场具有相同的展向波长及频率变化规律。