陶瓷基复合材料因其优异的耐高温性能，已成为新一代涡轮叶片的潜在材料。不同于传统合金叶片，其特殊的编织成型工艺会形成具有周期性拓扑特征的宏观粗糙表面，这种编织产生的毫米级凹槽–脊表面形貌会显著影响叶片外部气膜冷却的效果。然而，关于其背后的流动现象，尤其是编织表面对近壁流场的影响如何作用于气膜冷却，目前仍缺乏系统性的实验研究。本研究将这一问题抽象为编织表面的横向射流，采用折射率匹配粒子图像测速技术（RIM–PIV）开展流动机理研究。该方法通过精确匹配流动工质与固体壁面的折射率，有效克服了传统PIV技术在近壁测量中的激光反射过曝及光学畸变问题，实现了编织表面近壁流场的精确解析。实验结果表明，编织表面显著增强了近壁流动的时空不稳定性，其中脊结构对流动旋转强度的提升作用尤为突出。编织结构使射流上游壁面发卡涡更频繁地生成，且脊结构的抬升作用促使旋涡结构从壁面脱落。这些增强的涡结构使横向射流剪切涡更加破碎，加快了射流核心区的动量耗散，同时抑制射流抬升，使射流的湍动能降低，迎风侧雷诺切应力减弱。与此同时，射流近壁侧剪切涡与下游壁面旋涡结构产生强烈的相互作用，最终在射流下游形成显著增强的流动不稳定区域，并导致近壁侧切应力增强。

高焓来流与防热材料在气−固界面处的催化复合、氧化和氮化等双向耦合作用是影响气动热环境的重要因素，在线测量高焓环境下材料近壁面气流温度与离解原子数密度，对理解该耦合过程具有重要意义。本研究基于激光吸收光谱技术，同时采用氧原子（777.19 nm）与氮原子（868.03 nm）吸收谱线，量化分析了碳纤维增强碳化硅（C/SiC）复合材料近壁面流场不同位置处的平动温度及O、N原子数密度。测量光路选取2处，位置1激光光束中心紧贴材料表面，位置2光束中心距材料表面约2 mm，并同步对位置1处烧蚀产物（ · CN和Si）的辐射光谱进行采集。该高焓气动热环境利用1 MW高频感应等离子体风洞构建，综合考虑C/SiC表面温度与烧蚀后表面特性，设计了2组对比实验状态。状态1总焓43.2 MJ/kg，热流密度3.7 MW/m²，状态2总焓37.5 MJ/kg，热流密度3.1 MW/m²，模型加热时间均为120 s。吸收光谱结果显示：受激波压缩影响，相比远离壁面的位置2，近壁面位置1的平动温度更低，O、N原子数密度更高。2组状态下，位置1处的平动温度和O、N原子数密度均呈明显下降趋势；与此同时，位置1处显著的 · CN辐射表明此处有明显氮化反应，电镜及能谱分析证明材料表面已覆盖SiO₂层。2组状态对比结果显示：状态1下近壁面O、N原子数密度下降幅度更大； · CN与Si辐射明显更强；表面氧元素含量更低，氧化与氮化反应竞争过程更为激烈。本研究证明，对近壁面原子数密度、辐射光谱等参数进行时空分辨测量，有助于深入理解气−固界面处的耦合过程。

针对基于TR–PIV系统获得的光滑亲水壁面、各向同性超疏水壁面和各向异性超疏水壁面湍流边界层瞬时速度场的大样本时间序列，进行沿流向空间的多尺度小波分析，得到不同流向空间尺度下湍流脉动动能随法向坐标和尺度的分布，发现各向同性和各向异性超疏水壁面显著抑制了各尺度的湍流脉动动能。利用各尺度小波系数的正极大值和负极小值分别检测相干结构的2种猝发事件，采用同尺度空间锁相条件平均的方法，得到2种猝发的流向脉动速度、法向脉动速度和展向脉动涡量的条件相位平均模态。结果表明：2种猝发事件中流向脉动速度、法向脉动速度的条件相位平均模态符合喷射–扫掠和扫掠–喷射的剪切层特征；脉动涡量的相位平均模态呈现流向、法向正负交替分布的四极子涡包结构特征，其流线表现为鞍点–焦点的动力系统；同时，各向同性和各向异性超疏水壁面显著抑制了各尺度相干结构的猝发强度。

在湍流管道中加入微量高分子聚合物添加剂即可显著降低管壁摩擦阻力。目前，高分子溶液湍流减阻已广泛应用于管道输运、生物医药以及农田灌溉等领域。聚乙烯氧化物（PEO）是一种高效的湍流减阻添加剂，其减阻效果受多种因素影响。为此，基于重力驱动式循环管道系统，实验研究了湍流管道中PEO溶液喷射的减阻特性及其影响因素。系统分析了雷诺数、喷射角度（共7种）、喷射速率、相对分子质量（共7种）等因素对减阻率（R_D）的影响，并定义了适用于管流的归一化高分子溶液通量K_p，揭示了其与减阻率的标度律关系。研究发现：R_D随lg K_p先呈线性增长、后趋于饱和，与平板边界层注入的K–标度律相似；相对分子质量对减阻的影响曲线呈S型，最佳相对分子质量范围可通过SGompertz函数拟合预测。研究结果可为管道喷射减阻中高分子注射参数的优化和预测提供指导。

流体推力矢量技术作为飞行器姿态控制领域的重要研究方向，在系统一体化设计与飞行性能优化方面展现出显著优势。当前超声速被动引射式无源流体推力矢量喷管研究多采用二维构型，仅能实现俯仰方向矢量控制，在火箭、导弹等多自由度平台上的应用有限。本文设计了一种多轴无源流体推力矢量喷管，构建了具有8个周向均布二次流注入通道的扩张段结构，实现了多轴推力矢量控制，结合纹影流动显示技术与总压耙测量手段，研究了不同控制策略下的射流波系结构特征与矢量控制特性。实验结果表明：在主流压比N_PR = 4.0的工况下，通过不同周向方位二次流通道的开闭组合，可实现全周向16方位的推力矢量控制；随着二次流通道的逐渐关闭，流动矢量角逐渐增大；主控方向最大流动矢量角为6${\text{°}} ，线性度为77.85%；次控方向最大流动矢量角为5$ {\text{°}} ，线性度达到96%。

随着微流控技术（microfluidics）的迅速发展，微尺度流动已成为流体力学的重要研究内容。微腔是微流控系统中常见的微通道结构。为揭示微腔与微通道主流之间的流体输运行为及长微腔内层流涡特性，本文开展了染料高速摄影实验和显微粒子图像测速实验。实验发现：当雷诺数Re = 46时，微腔内出现O形流动图案；当Re = 58～93时，微腔内呈现“涡钩子”图案，同时微腔深处呈U形图案。结果表明，微通道主流与层流涡之间存在直接对流输运行为。此外，在Re = 66、深宽比e = 2的条件下，长微腔内出现了一级涡和二级涡，且微腔入口的速度分布呈指数衰减，微腔深处速度几乎为0。与宏观腔体中和数值模拟中的多涡不同，实验中长微腔内最多出现两级涡胞，涡胞形貌同时受雷诺数和深宽比的影响。研究结果可为微流控器件设计提供理论指导，也可为毛细血管萌芽及生长等生理学和病理学相关研究提供参考。

表面压力是旋成体航行器姿态控制和运动参数设计与评估的重要指标。为了获取作业过程中航行器表面压力的全域分布特性，本文设计了一套基于机器学习的表面压力重构算法。不同的航行工况下航行器表面压力分布状态不同，通过在旋成体航行器表面布置压力观测点并利用其压力观测值的分布，可以反向表征航行工况。本文将有限个航行器表面压力观测点的观测值及其三维点云坐标作为输入信息，训练得到了一个从有限个离散观测点压力到航行器表面全域压力分布的映射模型。为了探究模型的性能，在多个不同测试数据集上进行了表面压力的全域预测实验。结果表明，训练得到的机器学习模型能够高精度地预测全域压力分布，预测误差可控制在10%以内，同时具备鲁棒性。

黏性阻力是民用飞机所受阻力的主要来源之一，而湍流阻力在黏性阻力中占主导地位，因此开展湍流的减阻控制研究具有极其重要的工程和科学意义。本文在零压力梯度实验条件下，开展了融合微吹气的各向同性渗透材料对平板边界层的减阻控制研究。研究结果表明，融合微吹气的各向同性渗透材料可以显著降低平板表面摩擦阻力，在本文中，局部最大减阻率可达55.4%。此外，相比于单一的各向同性渗透材料控制，融合微吹气的各向同性渗透材料不仅提高了局部区域的减阻率，并且由于微吹气对湍流结构影响的“记忆性”，下游减阻区域的流向面积增大，提高了减阻效率。热线测速结果显示：融合微吹气的各向同性渗透材料可以降低边界层黏性底层的速度梯度，减少内外层之间的动量交换。时间分辨粒子成像测速（TR−PIV）表明，融合微吹气的各向同性渗透材料可以增大湍流边界层厚度、提高流向脉动强度，同时还使得流向和展向的大尺度高速条带结构分解为小尺度结构，抑制了靠近壁面的自持过程和扫掠过程，从而实现减阻。

温度是流体最基本的参数之一，其测量精度直接影响到高超声速飞行器气动力、气动热及热防护等性能的预测准确性。本文基于相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS）技术的基本原理，开发了面向非平衡流场的CARS光谱计算及振转温度反演算法，并在1000～2300 K的静态环境下对其准确性进行了实验验证。搭建了基于微波等离子体的非平衡流场实验装置，获取了不同压强、气体流量及组分下等离子体流场的振动、转动温度信息。结果显示，在实验条件范围内：振动温度随压强的增大而降低，随N₂体积流量和Ar体积分数的增大均呈现先增大后降低的趋势；转动温度随压强的增大而降低，随N₂体积流量的增大呈现先增大后降低的趋势，随Ar体积分数的增大而增大；非平衡度随压强的增大而增大（但变化率随压强的增大而减小），随N₂体积流量的增大呈现先降低后增大的趋势，随Ar体积分数的增大而降低。

三色掩膜单彩色相机三维PIV技术通过三色掩膜光学元件调制彩色相机成像光路，将颜色信息与视角信息相结合，使彩色感光芯片的RGB三通道分别记录示踪粒子的三视角图像，从而实现单相机三维流场测量。彩色相机通常采用带有Bayer掩膜的单传感器获取彩色图像，要获得完整的示踪粒子三通道信息，需要还原Bayer图像中缺失的颜色分量，即进行去马赛克处理以提取三视角图像。本文分别采用高质量线性插值（HQLI）算法、基于梯度的无阈值（GBTF）算法和基于U-Net++神经网络的深度学习算法对粒子Bayer图像进行去马赛克处理；基于图像评价指标及对粒子重构质量Q的影响，评价3种算法的三视角图像提取质量；通过对人工合成高斯涡环三维流场进行仿真实验，分析3种算法的测量误差；通过零质量射流实验对实验粒子图像进行去马赛克处理，并分析瞬态速度场结果。结果表明，相较于传统的HQLI和GBTF算法，基于U-Net++神经网络的深度学习算法能更有效地提取粒子三视角图像，降低测量误差。

针对航空发动机燃烧室出口等复杂、空间受限环境下的燃烧流场碳烟浓度分布测量需求，本文开发了双色-沙姆激光诱导炽光（Two-Color-Scheimpflug Laser-Induced Incandescence, 2C-Scheimpflug LII）技术及测量系统，通过倾斜焦面拍摄的方式获取碳烟体积分数分布图像。首先在McKenna、Gülder、Santoro这3种典型乙烯/空气火焰的特定工况下对所开发技术和测量系统开展了验证实验，并与国内外同行在相同工况下获得的测量结果进行对比，证明了该双色-沙姆激光诱导炽光测量系统的有效性。标准火焰测试结果表明，该系统的碳烟体积分数测量下限约为2.0 × 10⁻⁹。在此基础上，利用双色-沙姆激光诱导炽光技术测量了某型单头部双旋流航空发动机模型燃烧室出口横向截面及燃烧室内部纵向截面的碳烟体积分数空间分布。初步研究结果显示：燃烧室出口的碳烟体积分数分布呈现出高度的瞬时性和随机性，而燃烧室内部的碳烟体积分数分布则呈V形分布。

三色掩膜粒子图像测速技术利用三色掩膜光学元件改变成像光路，将颜色信息与视角信息相结合，实现单相机三维流场速度测量。然而，由于3个视角间的成像视差较小，采用传统代数重构技术得到的粒子分布结果存在明显的伸长效应，在成像景深方向分辨率较低。针对这一问题，本文将卷积神经网络应用于粒子重构处理中，以减弱伸长效应，提高三维粒子重构质量。采用基于AIPR（Artificial Intelligence Particle Reconstruction）的网络架构，发展适用于三色掩膜小视差的粒子图像重构算法，并利用数字合成图像与人工合成流场，研究不同视差大小和粒子浓度下的粒子重构效果。结果表明：与传统代数重构方法相比，本文方法在粒子浓度为0.05 ppp（particle per pixel）时的重构质量提升了30%，重构速度达到传统方法的2.8倍，能够实现粒子场的快速三维重构，并改善粒子在景深方向的重构质量。