多孔介质是由固体骨架和固体骨架之间相互连接的间隙构成的一种物质,其广泛存在于自然界和社会生产中的各个领域,如能源、换热、化工和机械等领域。流体与多孔介质之间的传热传质问题一直是一个研究热点,学者们主要通过理论分析、数值模拟和实验三种方法对流体与多孔介质之间的传热传质进行研究。其中,纯流体与多孔介质区域交界面处的可渗透边界条件一直是学者们研究的热点,随着研究的不断深入,学者们主要提出三种可渗透边界条件:连续性边界条件、速度跳跃边界条件和应力跳跃边界条件。Ochoa-Tapia和Whitaker利用体积平均法对可渗透边界条件进行了理论分析,他们选取了一个能够代表多孔介质体征的有限容积,即表征体元进行分析。当表征体元从多孔介质向纯流体区域过渡时其孔隙率和渗透率在交界面处会逐渐变化,因此利用体积平均法对其进行分析得到了应力跳跃边界条件。在应力跳跃边界条件的表达式中,应力跳跃系数是应力跳跃边界条件中的一个重要参数,其可以通过实验获得,因此本文通过实验研究了不同参数对流体横掠多孔介质纯流体与多孔介质区域交界面处应力跳跃系数的影响规律。并通过理论分析和数值模拟对流体横掠多孔介质进行分析,从而获得更多流体横掠多孔介质的流场信息。本文利用Kuznetsov提出的数学物理模型对流体横掠多孔介质进行了研究,用不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程和Brinkman-Forchheimer方程分别描述流体在纯流体和多孔介质区域中的流动,并添加边界条件组成求解方程组,其中在交界面处应用了应力跳跃边界条件,对方程组求解获得了流体横掠多孔介质的解析解。本文利用获得的解析解来分析了雷诺惯性参数、达西数和应力跳跃系数对流体横掠多孔介质流速分布的影响规律,结果表明雷诺惯性参数、达西数和应力跳跃系数的变化会引起流体横掠多孔介质流速的变化。同时还利用解析解来分析了应力跳跃系数与交界面处流速的关系,结果表明交界面处流速随着应力跳跃系数的增大而减小。为了通过实验研究不同参数对应力跳跃系数的影响规律,本文设计并搭建了湍流横掠多孔介质的实验系统,利用超声波多普勒测速系统获得湍流横掠多孔介质的流速,再通过计算获得不同情况下的应力跳跃系数。实验结果表明应力跳跃系数随着流体温度的升高而降低,随着渗透率的增大而增大,随着相对水深的增大而增大,随着雷诺数的增大而增大。本文最终目的是绘制出类似于莫迪图的应力跳跃系数经验图,所以在确定了不同参数对应力跳跃系数的影响规律以后,本文通过实验验证了绘制应力跳跃系数经验图的可能性。为了更直观地观察湍流横掠多孔介质的流动特性,本文对湍流横掠多孔介质进行了三维数值模拟,使用雷诺平均Navier-Stokes方程描述流体在多孔介质和纯流体区域的流动状态,选择了标准k-e模型对方程组闭合,从而对流场进行求解。通过数值模拟,本文研究了多孔介质结构、渗透率、相对水深和雷诺数对湍流横掠多孔介质流动特性的影响规律。结果表明多孔介质结构、渗透率、相对水深和雷诺数的变化都会引起湍流横掠多孔介质的流动特性发生改变。为验证所得结论的准确性和实用性,本文将泡沫金属作为多孔介质区域,研究了不同参数对湍流横掠泡沫金属应力跳跃系数的影响规律,并结合数值模拟对实验结果进行了分析。结果表明:湍流横掠泡沫金属的应力跳跃系数也随着温度的增大而减小;多孔介质的渗透率越大流体在交界面处向上穿透的能力越强从而导致应力跳跃系数随着渗透率的增大而增大;在交界面附近压力对应力跳跃系数的影响更大从而使应力跳跃系数随着相对水深的增大而增大;雷诺数越大湍流动能越大,紊乱程度越强,导致应力跳跃系数随着雷诺数的增大而增大。