湍流边界层广泛存在于日常生活和工业生产中,如商用客机、高铁和管道运输等。在这些应用中,湍流边界层中的壁面摩擦阻力是造成能量消耗的主要原因之一。例如,商用客机在正常巡航时,湍流边界层中的壁面摩擦阻力占其总阻力的一半以上。降低湍流边界层中的壁面摩擦阻力不仅能够带来巨大的经济效益,还能有效地减少化石燃料燃烧导致的温室气体排放,从而有利于保护环境。因此,研究湍流边界层减阻技术在工程中具有重要意义。在湍流边界层主动控制减阻的实验研究中,其首要问题是对壁面摩擦阻力的精确测量。本课题研发和制作了一种高分辨率测力天平,可以精确测量湍流边界层中的微小壁面摩擦阻力,其分辨率可达10-6N量级。该天平根据杠杆原理,浮动平板上表面受到的壁面摩擦阻力经过机械装置放大后转化为竖直方向的正应力,然后通过力传感器进行测量。文中系统地分析了该测力天平在实验过程中可能存在的误差来源,并采用一系列措施减小或避免此类误差。此外,由于该测力天平所测壁面摩擦阻力极小,传统的砝码标定法已不再适用,本文为该测力天平提出了一种新的标定方法,即采用不同风速下由微尺度粒子追踪测速仪（μ-PTV）测得的浮动平板上的壁面摩擦阻力F对天平的输出电压Eo进行标定。标定结果表明,Eo和F满足很好的线性关系。在基于壁面摩擦速度的雷诺数Reτ=570～1487范围内,该天平测得的壁面摩擦阻力系数与Coles-Fernholz曲线能够很好地吻合,其偏差小于1.9%。此外,文中通过阶跃响应实验,对天平的动态响应特性进行了详细的分析。本文研发了三种方案的等离子体激励器在湍流边界层中产生大尺度流向涡以实现减阻。由于不同方案中等离子体激励器的电极数量以及排布不同,其产生的流向涡在强度、旋转方向以及展向间距等方面存在明显区别。其中,产生非碰撞反向流向涡对的等离子体激励器方案（方案B）在减阻量和减阻效率方面均优于其他两个方案,当激励电压E=5.75kVp-p时,能够获得最大为26%的平均减阻量,其减阻效果在激励器下游持续2000个壁面单位以上。等离子体激励器产生的大尺度流向涡导致激励器下游局部减阻分布在空间上具有非均匀性,不同流向位置处的展向分布曲线具有相似的特征,均包含三个典型区域,即最大增阻区（R1）、最大减阻区（R2）和中间减阻平台区（R3）。烟线流动显示实验结果表明,等离子体激励器控制后,低速流体被等离子体激励器产生的流向涡推挤到激励器中心线处,形成大范围的低速区域,相反,高速流体分布于相邻两个低速区域之间,从而使得条带结构的稳定性增强。此外,控制后近壁面处的猝发现象强度减弱,同时湍动能产生率明显降低。根据控制前后流场结构的变化,提出了该等离子体激励器在湍流边界层中的减阻机理。等离子体激励器产生的流向涡能够有效地合并条带,减弱其蜿蜒特性,从而使条带结构更加稳定。由于条带结构的不稳定性是湍流边界层近壁面湍流再生循环中产生新准流向涡的必要条件,因此条带结构的稳定将破坏湍流再生循环,抑制新流向涡的产生,进而使近壁面处湍动能产生率降低、湍流强度减弱,导致了壁面摩擦阻力的降低。综上所述,本文研发了一种分辨率高达10-6N的高分辨率测力天平,用以测量湍流边界层中的壁面摩擦阻力,为湍流边界层减阻的实验研究提供了重要的技术支持。同时,研究了等离子体激励器在湍流边界层中的减阻作用,取得了最大为26%的平均减阻量,并根据流场结构的变化提出了其减阻机理,为湍流边界层减阻的实验研究提供了新的思路和方法。