课题组成员：王晋军，郭辉，高琪，潘翀，冯立好

A.       自主研发了针对非定常复杂流动的三维实验测量技术

基于承担的国家自然科学基金科学仪器基础研究专项基金《非定常三维复杂流动的单相机层析PIV测量系统研究》等研究项目，分别在实验测量和数据处理技术方面开展了相应研究。在国内率先自主研发了针对三维非定常复杂流动的层析粒子图像测速（PIV）技术，填补了国内技术空白。该技术能实现空间体内三维速度场的定量测量，进行全流场的实验研究。将层析PIV技术应用到合成射流、湍流边界层和三角翼前缘涡系流动等三维速度场测量，在该项实验技术的研发和应用方面达到国际先进水平。

三角翼层析PIV实验测量平台

在层析PIV算法方面，针对核心算法——三维粒子场重构，首次提出了一种双基模态追踪的粒子场重构技术。在实验数据处理方面，率先系统地提出了实验研究引入物理约束来进行数据修正和重构的理念。首次提出了一种适用于不可压缩流场的无散平滑处理算法，自动评估实验测量的误差量级。对于时间解析的层析PIV三维速度场，利用动量方程求解重构和速度场耦合的三维压力场。而针对压力重构技术，提出了一种针对压力梯度场的无旋修正，对精确重构压力场有巨大贡献，使得现有的压力重构技术能真正实用到三维压力场的重构。

在实验平台优化方面，首次提出了采用单相机实现层析PIV的技术，这较传统采用3-6个相机的层析PIV实验平台有了巨大的优化。针对速度场/压力场耦合测量技术，首次提出了三脉冲层析PIV技术，将低频高能量的三脉冲激光，应用到层析PIV测量技术上，实现高分辨率的层析PIV速度/压力场测量。

B.        边界层转捩机理及其控制的研究

承担自然科学基金重点项目《尾迹引起的边界层旁路转捩机理及其控制的实验研究》，对边界层旁路转捩及其控制进行了系统深入的研究。

旋涡-固壁相互作用是基本而重要的流体力学问题，其主要特征是旋涡在近壁区诱导产生新的流动结构，使固壁边界层发生旁路转捩，并使转捩过程大为提前。本项目针对含大尺度旋涡结构的自由湍流尾迹引起的边界层旁路转捩进行机理研究，通过风洞、水洞流动显示和热线、PIV流场测量，应用条件采样、相关分析、涡辨识技术等多种手段，系统研究了边界层对外界湍流尾迹扰动的感受性机制、扰动在边界层内的增长路径、转捩过程中的典型拟序结构、各拟序结构的现象学统计特性、演化发展规律和再生自维持机制等问题，发现了一种新的依赖旋涡非线性演化的旁路转捩新路径，被国际同行所证实和承认，实验数据和物理现象被用于验证他人的实验和数值模拟研究结果。这一工作被国际同行认为在“研究边界层对窄频可控扰动的感受性和响应方面迈出了第一步”。在此基础上应用壁面粗糙等技术对转捩过程进行控制，探讨控制机理，完成了控制参数的优化研究，最终提出了一种新的旁路转捩被动控制技术方案，控制效果通过了实验验证。

C.       流动控制领域的研究

承担自然科学基金青年基金项目《合成射流控制圆柱绕流涡脱落模式及其机理的实验研究》，对合成射流控制圆柱尾迹涡脱落模式进行了系统的实验研究，并且发展了新的数据分析方法。

为了能够对合成射流控制下的圆柱绕流复杂流场进行高效精确地分析，提出了一种基于快速傅里叶变换的模态分析方法：全场特征频率分解（Global eigenfrequency decomposition，GED）方法，并且与本征正交分解（Proper orthogonaldecomposition，POD）方法和动力学模态分解（Dynamic mode decomposition，DMD）方法进行了系统比较。该方法从单点速度信号的谱分析出发，推广得到全场网格点的谱分析方法，以全场功率谱密度为特征频率的选取依据，可以得到特征频率对应的全场振幅谱、相位谱和模态。借助零模态对应的时间平均场以及特征频率对应的全场模态，重构流场以获得特征频率对应的流动过程。GED模态分解方法简单快捷有效，所能求得的各项频谱分析结果物理意义明确。相同特征频率对应的GED模态与DMD模态高度一致。POD前几阶模态的空间分布往往与功率谱峰值频率对应的GED模态一致。但某一阶POD模态可能对应多个频率峰值，这些峰值往往反映某一相干结构。相比之下，基于特征频率给出的GED模态只对应某一特定的特征频率。

利用合成射流控制圆柱绕流，重点研究了合成射流控制下圆柱尾迹涡发展特性及其演化过程，通过单点速度分量频谱分析、全场功率谱分析、振幅谱空间分布以及GED空间模态分布几个方面，对给出的脱落模式进行了较为详尽的频谱分析。发现了区别于自由工况2S反对称模式的尾迹涡脱落模式，即2P对称模式、2(P+S)反对称模式、双稳态模式和2S对称模式，研究了不同模式对应的尾迹涡演化过程。通过定量化研究不同尾迹涡脱落模式的演化过程，揭示了主导不同尾迹涡脱落模式产生的物理机制。