湍流被认为是流体力学领域最复杂的议题之一,国内外学者对其生成、维持机理等方面的认识始终存在争议。一直以来,涡结构已经被公认是湍流流场中最重要的结构,它对湍流的产生、演化和维持起着中心作用。而对于涡的研究与讨论,无论是其结构生成、发展,还是运动机理、频率特性等,涡本身的数学定义(非涡量定义)及其在流场中的结构识别是最基本的出发点。本文从涡结构的定义与识别的角度出发,一方面,采用直接数值模拟(DNS,Direct Numerical Simulation)方法,结合涡量守恒定律和涡量输运方程,展开涡量与转动相关性(correlation)、模态分解等分析。针对低雷诺数平板湍流边界层转捩过程中的涡量结构(涡量线、涡量环等)与涡结构(Λ涡、发夹涡等)的生成机理进行了系统的研究。另一方面,采用隐式大涡模拟(ILES,Implicit Large Eddy Simulation)方法模拟了超音速湍流边界层中,基于微型涡流发生器(MVG,Micro-vortex Generator)的环形涡结构(vortex ring)与下游压缩角激波的相互作用的过程,分别结合结构特征与频率特性对环形涡与激波的作用机理展开了研究。具体如下:(1)通过对比不同涡识别方法(如:△,λci,Q,λ2和Ω方法),提出了基于ε函数的Ω新方法,该方法具有归一化,算例无关性,时间无关性(所选阈值无需根据不同的算例或时间步进行调整),鲁棒性高,且能够同时捕捉强涡弱涡等诸多优点,成为本文的涡结构研究的基本工具。同时,参与研究并提出了一种精确的涡结构识别方法——Rortex。Rortex是一个矢量,能够给出涡的当地的旋转强度大小以及旋转轴方向。采用Rortex等值面、Rortex矢量场和Rortex线描述流场中的涡结构,相比诸多基于标量(速度梯度张量的特征值等)的涡识别方法更具优势。(2)通过计算平板边界层转捩过程,对其中的涡量结构的生成机理展开研究,并对涡量结构与涡结构进行了对比分析;同时,采用快速本征正交分解(Snapshot POD,Snapshot Proper Orthogonal Decomposition)的方法对转捩后期具有丰富涡系结构的流场进行模态分解及流场重构,并对分解后的各个组分及对应的涡结构进行讨论。结果表明:对于平板边界层转捩过程中的涡量结构,除了基本流动原有的从外边界发展来的涡量线外,流场中另一种自封闭的涡量结构——涡量环,在转捩过程中大量生成;生成机理可概述为:新的涡量通过流动扩散作用以及流动速度梯度产生的涡量线的拉伸、倾斜和扭曲作用,以唯一一种形式在流场中产生,即涡量环。而对于涡结构,流向涡在转捩流场中始终占据着主导地位,其携带能量占据了流场总能量的99.5%。(3)通过引入体积涡量和体积Ω来量化湍流转捩过程中涡的生成与增长过程。结果表明:一方面,流动转捩是一个体积涡量增长的过程,其增长归因于两个重要的因素:原有涡量管的长度增加以及大量自封闭环状涡量管的生成;另一方面,体积Ω在层流边界层中为零,然而在转捩过程中从零开始大量增加,其在转捩过程中的增长反映了流场中涡结构的建立(vortex buildup)。两者无论在时间还是空间发展上都具有很高的相关性。(4)通过计算超音速湍流边界层压缩角流场与其上游MVG产生的一系列大尺度环形涡结构的相互作用过程,分别对压缩角激波的振荡运动以及环形涡向下游的运动展开了频率特性的分析。结果表明:具有低频特性振荡激波的无量纲主频率为Stshock=0.002,而具有高频特性环形涡运动的主频率为Stvortex=0.038。MVG诱导的一系列环形涡结构因其高频运动,与激波相互作用,可将激波本身的低频减弱甚至使其消失,从而达到移除激波的作用。而对于环形涡结构本身而言,尽管与激波相互作用,其高频特性在作用前后始终存在,且涡结构基本保持不变。