涡系结构的生长演化是非定常流动中的主要流动特征,也一直是研究的热点问题。通过研究涡结构生长演化中蕴含的非定常机理,可以建立涡系结构的控制原理,进而指导相关设计。在飞机飞行中,由于机翼翼尖处产生明显的翼尖涡结构,会引起诱导阻力以及有害的气弹效应,从而降低飞机的飞行性能。然而,鸟、昆虫等通过翼尖的运动和变形可以出色地控制翼尖涡的物理特征,极大地提高了飞行性能。因此,本论文将对翼尖涡及其诱导阻力进行深入研究,揭示翼尖涡的生长演化机理以及诱导阻力产生机制,探索通过翼尖运动的方式控制翼尖涡物理特征并减小诱导阻力的方法。为了揭示物体在运动条件下的涡系结构生长演化特征以及对非定常力的影响机制,本文首先基于平板自由下落问题建立涡系生长、非定常力和运动之间的耦合关系。然后,通过对机翼起动过程的研究,分析翼尖涡从翼尖初始脱落到发展至准定常模态的生长演化过程,对生长机理进行参数化表征。通过风洞实验,对稳态翼尖涡的物理特征进行研究,并通过实验测量和计算得到诱导阻力,进而对翼尖涡产生诱导阻力的机制进行分析和探讨。基于上述研究,得到翼尖减阻原则,从而利用并控制翼尖运动,实现诱导阻力的减小,并揭示其减阻机理。本文的研究工作和相关结论主要包括以下三个方面:(1)基于平板下落的实验研究,揭示了物体在运动时,尾迹涡系的生长与非定常力的产生机理,并建立了定量化的关系。通过实验研究发现在涡系生长、非定常力以及运动耦合作用下,平板在下落过程中存在几种典型的运动模态:垂直稳定下落,摇摆下落,翻转下落以及混乱下落。基于涡形成时间的原则,发现在不同运动模态下,涡结构呈现出不同的形成时间。采用准定常理论和牛顿第二定律,通过分析平板下落的运动特征,计算由于涡系结构生长演化而产生的非定常力,发现力与运动之间存在周期性变化规律,但是不同运动模式会对应不同的相位差。由此,根据涡量矩定理进行分析,建立了涡生长和非定常力之间的定量化分析模型,进而指导揭示翼尖涡生长和诱导阻力的减阻机理。(2)通过PIV实验研究翼尖涡的整个生长过程,分析翼尖涡的环量以及形成时间的变化。实验中,基于连续式激光的PIV系统,设计了一套联动机构,记录翼尖涡的生长过程。通过研究发现,翼尖涡在形成时间达到一个临界数值时,翼尖涡的环量及其轮廓会达到一个准定常模态。之后,通过风洞中稳态翼尖涡的实验研究表明,当翼尖涡包围区域所产生的无量纲环量达到最大时,所对应的非定常流体作用力也达到最大值。此外,通过控制翼尖涡强度和翼尖涡与主机翼之间的距离等翼尖涡的物理特征参数是可以实现诱导阻力的减阻。具体而言,在进行机翼翼尖减阻时,通过抑制翼尖涡的强度,或是控制翼尖尾涡的运动,改变翼尖涡与主机翼之间的相互作用,均可以实现机翼翼尖的减阻。(3)研究翼尖运动对阻力的影响效果,基于翼尖涡的物理特征,揭示相应的物理机理。在机翼上加装简化的平板小翼进行风洞实验,并通过对比平板小翼不同运动模式与静态条件的诱导阻力,发现通过控制小翼的运动可以实现减阻,最大可以使翼尖平均阻力减少19%。通过体视PIV技术,研究运动翼尖运动时的翼尖涡物理特征,发现运动翼尖能够控制翼尖涡的形成时间参数(环量表征)以及涡核位置,实现诱导阻力的减少。通过上述研究工作,本论文主要取得以下创新点:1)建立了基本涡系生长、非定常力和运动之间的耦合机制,并获得了参数化的翼尖涡生长演化机理;2)建立了翼尖涡的物理特征与诱导阻力之间的关系,得到了减阻方法设计的指导思想;3)设计了可以有效减阻的运动翼尖模型,并揭示了其减阻机理。由此,为探索利用气弹效应指导飞机翼尖的设计提供了理论支撑。