在流体力学的研究领域中,从层流向湍流过渡的转捩问题是一个十分重要而又极为复杂的难题,至今仍有许多问题有待进一步的深入研究。本文采用了最为精确的直接数值模拟方法,对可压缩流平板边界层转捩过程中的涡系结构和转捩机理进行了研究和探索,展示了基于空间模式的边界层转捩后阶段的全过程,验证了以前的数值模拟和实验结果,基于我们的精确模拟结果,进行探索和讨论,提出自己的新观念,分析和揭示边界层转捩的新机理。文中采用直接数值模拟方法,通过三阶TVD Runge-Kutta法求解非定常Navier-Stokes方程,空间离散采用高精度的六阶中心紧致格式,并采用了隐式六阶紧致滤波方法。为了更好地抑制边界处的非物理的数值反射波,在远场和出口边界处采用了考虑横流项和粘性项效应的特征无反射边界条件。入流条件设置为层流速度型叠加二维和三维T-S扰动波。采用MPI信息传输协议和区域分解方法来实现并行化处理。直接数值模拟的结果表明统计平均的流动特性,如摩擦阻力系数,均流速度型,近壁剪切层的线性率,湍流区的对数率,以及扰动模态的空间发展与理论和实验结果很好地吻合。文中对边界层转捩过程进行了深入细致的研究,主要是转捩过程的非线性的后阶段的涡系结构,包括典型涡系的形成,转捩过程的重要现象及其联系,以及转捩晚期阶段的涡结构和流动无序化过程,探索边界层转捩机理,其研究工作主要有:1.研究了转捩过程中的典型涡系问题,着重于涡系结构,特别是流向涡和环状涡生成演化的一些新机理。数值结果表明,尽管两种转捩模式(K型和H型)在弱非线性阶段具有不同的特征性质和相应的空间分布模式,但是在边界层转捩的后阶段扰动发展的机理具有一致的典型涡系结构。直接数值模拟了转捩过程的细节,发现一种新的环状涡形成机理,是主流向涡和次生流向涡共同作用的结果。环状涡在流动转捩过程有着重要作用,环状涡的旋转运动将导致从无粘的高能量区到边界层内部的低能量区的巨大的动量和能量传输,没有环状涡就没有湍流的形成。2.基于细网格的DNS数值模拟结果,详细分析研究了转捩过程的一些重要现象及其对转捩流场的影响。复杂的上喷下扫现象,是和转捩流场的涡结构紧密相关。仔细地研究了Λ-涡和环状涡周围的具体流动结构,得到的典型涡结构与上喷下扫运动相互联系的结论是和实验结果一致的。研究揭示了二次下扫运动、正负尖峰结构和高剪切层、雷诺应力分布的形成机理,以及它们与环状涡的联系。特别是,数值结果表明环状涡结构在近壁区诱发形成了正尖峰结构,其传播速度比包围它的附近流体的速度大好几倍,等于环状涡的传播速度。3.在转捩的晚期阶段,对复杂的U形涡和桶形涡结构、湍流斑生成和小尺度涡等进行了研究。结果发现,环状涡链结构是稳定的,随着新环状涡形成,最前方的环状涡的涡量变弱、逐步耗散;另一方面,小尺度涡生成是次生涡和壁面间的干扰以及大涡结构的演化和诱导的结果。概言之,文中发展了可压缩流边界层转捩的高精度、高效率的数值模拟方法,通过对可压缩流边界层转捩过程中的涡系结构的精确数值模拟和和转捩机理的深入研究和探讨,清晰地描述了边界层转捩后阶段的整个过程,分析和揭示了一些新的机理,如环状涡的形成和演化、二次下扫现象、正尖峰结构特性以及小尺度涡结构的生成原理等,其研究工作有着重要的理论意义和应用前景。