基于非光滑单元的流动控制具有被动控制的诸多优点,是满足分离的控制、湍流的强化、阻力的降低等工程需求的重要手段。然而非光滑单元的引入增加了流场特性的复杂性和对湍流强化特性进行研究的难度。一方面,非光滑单元诱导周期性脱涡,且脱涡主方向可能发生周期性的改变;另一方面,非光滑单元所诱导的涡系结构与单元尺寸相关,而与原流场特征尺寸无关,从而使得流场特性具有了多尺度的特征。为了研究非光滑单元的时均湍流强化效应并应对问题复杂性,本文基于局部空间相关性为非光滑单元诱导涡系结构引入了时均量度,从而以定量的方式揭示了非光滑单元及组合的湍流强化原理。本文的研究工作主要有:第一,基于Precursor方法实现了湍流进口边界条件,利用已有的实验和仿真数据对数值方法进行了验证,并对比研究了球形凹坑、泪滴形凹坑、球形凸包等多种非光滑单元单体的流场特性和湍流强化效应。结果表明:高湍动能区与高Nusselt数区具有空间分布上的不一致性,说明尽管湍动能能够反映出非光滑单元的湍流强化效应,但并不能解释壁面上的强化传热效应。同时,不同形状的凹坑的流场特性相近、强化传热效应基本相同。而当粗糙度比率相同时,凸包实现了比各式凹坑更高的强化传热效应。第二、利用采用SGS湍动能亚格子模型的大涡模拟对非光滑单元组进行了数值研究。利用局部相关性分析研究了非光滑单元组的湍流强化效应,对比研究了非光滑单元单体和组合的流场特性和湍流强化效应,并分别研究了雷诺数效应和倒角效应。结果表明,局部相关性系数与Nusselt数在空间分布上具有一致性,说明了非光滑单元诱导的带涡流体是下游壁面上强化传热效应的直接执行者。同时,与凹坑单体相比,凹坑组显著地提升了强化传热的效应。凹坑内流场特性没有因进口边界条件的改变而发生明显变化,但表现出了明显的雷诺数效应和倒圆角效应。第三、基于大涡模拟对凹坑-凸包组合的湍流强化效应进行数值研究。利用局部相关性分析对比研究了凹坑强、弱脱涡的湍流强化效应。利用频谱分析研究了凹坑的脱涡频率和与非光滑单元组合相关的特征频率。并用局部相关性分析与频谱分析相结合的方法研究了球形浅凹坑在中雷诺数区间的非对称强化效应及机理。此外,还对比了雷诺数效应和间距效应,分析了凹坑和凸包对流场特性和湍流强化效应的不同作用,并讨论了凹坑和凸包诱发涡旋间的相互作用。结果表明:在局部相关性系数取局部最小值的位置测得的非光滑单元诱导涡系相关的特征频率及谱密度高于邻近区域,说明局部空间相关性可以为非光滑单元诱导涡系提供有效的时均量度。利用局部相关性分析以定量的方式揭示了强、弱脱涡的不同湍流强化作用,即来自非光滑单元的带涡流体在其输送过程中,对附近壁面施加强化传热效应,且带涡流体的主输送通道对高Nusselt数区域形状、尺寸起决定作用。结果还表明,球形浅凹坑在中雷诺数阶段强化传热效应的非对称性直接源于带涡流体主输送通道及该处脱涡频率的不对称性。第四、探索了分离涡湍流模型、浸入单元法、以及大涡模拟等数值方法在汽车外流场研究上的应用,并研究了非光滑单元对DrivAer汽车模型的减阻效应。结果表明:引入非光滑单元后阻力系数得以下降12.9%。非光滑单元减阻效应包括两个方面:其一,车尾回流区的缩小以及压力系数的回升;其二,以较低的湍动能输出水平,诱导了下游流场中湍动能水平的总体上升,并使得高湍动能区更加贴近壁面,从而实现了分离的延迟。