● 摘要
角区流动在很多工程应用中（内流和外流）会经常遇到。当来流边界层在流动过程中遇到物面上的障碍物或者突起所形成的角区时，会引起边界层分离。分离的边界层会形成在角区形成角区流动中标志性的马蹄涡结构。高雷诺数下的高湍流性质的流动模式会引起振动、噪音和高热传导率等结果。
角区流动的拓扑结构的研究是角区流动研究中的重要方面。针对角区最上游平板上的奇点，人们提出了分离鞍点和附着鞍点的概念。在传统的定性流动显示实验中，人们通常用传统的分离理论和马蹄涡拓扑结构来推断流动结构。之后的一些研究中研究者发现，角区对称面上最上游的奇点不是传统的分离半鞍点而是附着半结点。在此基础上新的马蹄涡拓扑结构被提出。值得注意的是，之前的研究或者是定性的流动显示得到传统的分离拓扑结构，或者是得到附着拓扑结构的数值模拟研究。没有定量的流动显示试验手段用于附着鞍点研究和这两种拓扑的影响参数研究。
人们过去采用多种被动控制方法来控制角区分离，但用涡流发生器（Vortex gener-ator, VG）方法控制马蹄涡的研究还很少。已有的采用流向涡流发生器进行马蹄涡控制的研究中，发生器的间距很大（障碍物宽度同量级），这种间距对于角区对称面上游的马蹄涡没有影响。
本文研究关注马蹄涡的两个方面：一方面是层流小柱体角区流动的拓扑结构及其演化规律的参数研究，这对深入了解角区流动结构具有理论意义；另一方面是用涡流发生器被动控制方法进行马蹄涡控制，这对角区流动的工程应用具有意义。本文综合应用数值计算、水洞PIV流场测量实验、风洞油流流动显示实验、风洞压力分布测量实验等方法开展研究。
本研究采用定量的PIV流动显示方法观察到了层流马蹄涡中的分离鞍点和附着鞍点。讨论了层流角区流动的拓扑结构并比较了两种鞍点结构和附着结点结构。研究发现为了了解新的拓扑结构，必须结合分析表面和对称面的结构。本文提出了对称面上的多种新的拓扑结构（最上游奇点是附着鞍点）。
具有边界层厚度量级的不同高宽比(H/D<4)的小柱体被用来进行参数研究，通过改变流动条件得到了两种拓扑结构。高宽比、边界层厚度和模型形状对拓扑结构都有影响。在小的高宽比模型角区流动中，最上游奇点是分离鞍点，随着高宽比的提高，奇点会转变成附着鞍点。边界层厚度由薄变厚的过程中，最上游奇点会从传统的分离鞍点结构演化为附着鞍点。两种不同形状的模型的流动结果比较显示流线型的模型更倾向于得到附着鞍点结构。通过比较最上游奇点和柱体根部的角涡发现，角涡对最上游奇点结构的演化至关重要，并基于拓扑学奇点法则提出了新的拓扑图案。
通过分析小柱体的拓扑演化规律发现柱体的自由端会影响拓扑结构，因此实验并模拟分析了自由端对拓扑演化的影响。对于定常层流角区流动，研究发现自由端对小高宽比，薄边界层和钝柱体更有效果，这些情况下会是传统分离鞍点。这是由于高的扫掠效应（自由端对马蹄涡的影响）增加了旋转流体的动量，这些高涡量流体引起近壁面的低能流体离开壁面从而引起分离。改变上述的参数后，扫略的影响就没有那么强，拓扑结构就会是附着鞍点。之后对柱体两端都被壁面固定和柱体只有一端固定一端自由的情况进行了数值模拟研究自由端对拓扑结构的影响。模拟结果清楚地支持了这一观点。对于两端固定没有自由端影响的情况下，奇点是附着鞍点。对于受自由端影响的情况模拟结果显示了传统的分离鞍点结构。
涡流发生器被动控制方法被用来减小角区前方的逆压梯度进行马蹄涡控制。两个三角形的涡流发生器成夹角地对准来流，两个发生器后部接触无缝隙，将这一对涡流发生器放在圆柱/平板角区(ReD= 2.05×105)前方对称线上，这一装置减小了逆压梯度。将传统的涡流发生器（VG的高度和边界层厚度同量级）和本文中的小尺寸的涡流发生器（VG的高度小于边界层厚度的一半）的控制效果进行对比发现两种控制效果相近。
多对涡流发生器沿流向布置会进一步减小逆压梯度，但两对和三对涡流发生器的控制效果已经比较接近。多个涡流发生器横向布置也有控制效果，但是效果在两侧区域，而对对称面沿线的逆压梯度并没有很大影响。研究了涡流发生器布置的一些参数以期得到最优的布置形式，这些形式有涡流发生器对的流向布置间距、一对相对的涡流发生器在对称线两侧的间距和涡流发生器与角区的间距。通过分析发现，对于涡流发生器的流向布置和横向布置，两对涡流发生器布置是最优选择。沿流向布置对于减小对称线上的逆压梯度最有效，而沿横向布置对于控制角区上游两侧的分离有效。
基于以上的涡流发生器布置参数的分析，设计了最优的布置形式并发现这种情况下分离区大大减小了。在此基础上如果在靠近柱体的上游再布置一对涡流发生器会得到进一步的控制效果。
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