轴对称射流是一种典型的自由剪切流动,对它的研究具有深刻的理论意义和广泛的应用背景.该文的目的是基于高精度差分格式,利用高效的HPF并行算法,直接求解柱坐标的N-S方程,数值模拟研究可压缩轴对称射流的失稳特征、大尺度拟序结构的三维演化以及可压缩性效应的影响.主要有四个部分:第一部分是尺度分析,考虑到可压缩轴对称射流是一个多尺度、非稳定、非定常的复杂流动,文中利用Fourier分析法,分析和讨论了与非定常多尺度复杂流动数值模拟相关的一些问题,如网格尺度与精度的关系,物理粘性及数值耗散与网格雷诺数之间的关系.分析指出,对取定的物理尺度,高精格式可以给出更精确的解.在取定误差情况下高精度格式能正确捕捉的波数范围更广.在给定精度范围情况下,高精度方法可放大空间步长;对取定的波数,则随格式精度的提高可放宽对网格雷诺数的限制;当取定对网格雷诺数的限制,则提高精度可放宽满足这一限制条件的波数范围.第二部分采用高精度的差分格式对二维轴对称射流进行了数值模拟,模拟结果显示了射流流场结构和涡结构的发展过程,在射流流场近区,K-H失稳导致涡环的产生以及非线性效应的增长导致涡环的对并是射流失稳的主要形式;分析指出在轴对称假设下的射流数值模拟只适用于射流近区的分析.第三部分采用高精度的差分格式求解柱坐标的三维N-S方程,利用HPF并行算法对空间发展的可压缩轴对称射流进行直接数值模拟.计算结果显示了射流失稳到转捩的整体过程.在模拟自然射流的随机扰动的条件下,射流首先出现轴对称失稳,形成大尺度拟序结构—涡环.辫子区内小扰动在涡环形成的拉伸应力的作用下快速增长,形成流向涡结构,并不断增强形成流向涡管.在涡环区,流向涡和涡环相互缠绕,相互作用,导致涡环的空间失稳及最终破碎,涡环的破碎标志射流开始转捩进入湍流阶段.数值模拟结果还证实,流动中出现的侧向射流的形成机理要受到流向涡对和涡环的共同作用.第四部分通过不同马赫数(Ma=0.2,0.6,0.9)条件下射流的失稳演化的数值模拟,研究了压缩性效应对射流流动失稳的影响,计算结果表明,在低马赫数时,初始阶段最不稳定波为二维扰动波,随着马赫数Ma的增加,压缩效应增大,轴对称射流的初始发展阶段抑制了二维扰动的发展,而促进三维扰动波的激发过程.同时压缩性效应导致最不稳定波的增长率减小,射流的涡量厚度的增长和扰动能的增长都受到抑制.马赫数的变化对流动的失稳形式和流场的大尺度结构有很大的影响.