流体弹性效应和系统旋转效应是工业流动中广泛存在的重要因素,两者耦合作用下的壁湍流是非线性和复杂流动研究领域的前沿科学问题,其机理研究对工程技术和基础科学的发展具有重要意义。本文以粘弹性展向旋转平板Couette湍流（RPCF）为主要对象,开展弹性和旋转效应耦合作用下的壁湍流转捩和流动机理研究,通过合理调配弹性和旋转效应的强弱,进行大规模直接数值模拟研究,旨在探索两者耦合作用下壁湍流转捩的新路径,揭示不同流态中湍流与聚合物相互作用的新机理。研究内容主要包括:（1）旋转效应驱动的转捩路径;（2）弹性效应诱导的流动间歇性;（3）聚合物形成的湍流增阻和层流化现象;（4）最大增阻渐近行为。本文的主要研究结果简述如下:1.在弱弹性效应下（Wi=5）的粘弹性RPCF中,发现了旋转效应驱动的转捩路径。研究发现,该转捩路径开始于减阻的惯性湍流流态（0≤Ro≤0.1）,途经增阻的惯性湍流流态（0.1 ≤Ro≤0.3）,转捩至增阻的弹性-惯性湍流流态（0.3 ≤Ro ≤0.9）,最后在Ro=1时层流化。相应的阻力变化是聚合物诱导的减阻效应和增阻效应的内在竞争结果。研究进一步揭示了普适于粘弹性壁湍流的减阻机制,详细阐明了粘弹性RPCF中两种截然不同的增阻机制。强旋转时粘弹性RPCF进入一种新型湍流态,即弹性-惯性湍流（EIT）,其典型流态特征是流向拉伸的小尺度细长涡附着于壁面,该流态的涡生成机制被证明是强旋转带来的科氏力作用。以上发现为探索粘弹性平行剪切壁湍流中弹性湍流结构开辟了新路径,即对流动施加强旋转作用。2.基于以上工作,在弱旋转数下（Ro=0.02）的粘弹性RPCF中发现了弹性效应诱导的流动间歇性变化特性,证明了强间歇性是聚合物与涡卷（roll cell）结构相互作用的结果。研究表明,在弱弹性效应作用下,聚合物的加入抑制了湍流涡结构,使牛顿流中三对原本较弱的涡卷不断分裂融合,从而令流动间歇性增强;在更高弹性效应作用下,聚合物对涡结构的抑制作用更强,但与此同时近壁面产生一些小尺度涡,这导致很强的流动间歇性。由于流动惯性效应主导了湍流的自维持机制,雷诺应力随时间剧烈变化,成为导致阻力强间歇性的主要原因。从湍流统计特征来看,弱旋转效应使粘弹性PCF的减阻效果减弱,这是由于涡卷的存在所致。此外,对瞬时特性的分析还说明用“active-hibernating”循环来解释减阻和最大减阻（MDR）机理具有局限性,不能普适于所有粘弹性湍流。3.进一步,在中等旋转数下（Ro=0.2）的粘弹性RPCF中发现了弹性效应诱导的湍流增阻和层流化现象。研究表明,聚合物的加入使小尺度涡结构逐渐被抑制,且随着弹性效应的增强,流动从湍流和涡卷并存的流态逆转捩为含二维涡卷的层流态。在湍流层流化的过程中流动阻力显著增加,其中存在两种不同的增阻机制:在低弹性效应作用下,相邻涡卷的边界处形成局部拉伸流,形成对聚合物的额外法向拉伸作用,从而产生较大的聚合物应力并形成增阻;在高弹性效应作用下,涡卷显著增强,形成更强的对流动量交换,结合持续增加的聚合物应力,形成更大的增阻效果。此外,湍流层流化现象的本质是聚合物的加入抑制小尺度湍流涡结构,使流动趋于有序,这意味着聚合物与湍流涡结构的相互作用存在普适性机制。该机制普遍存在于粘弹性壁湍流中,无论阻力特性变化是减阻还是增阻,上述相互作用特性都是一致的。4.受以上发现启发,在强旋转数下（Ro=0.3～0.7）的粘弹性RPCF中发现了弹性效应诱导的最大增阻渐近行为。研究表明,聚合物的加入使流动阻力增加,随着弹性效应的增强,增阻程度逐渐增大并最终渐近饱和,此时流动到达最大增阻态（MDE）。对于所考虑的强旋转数范围,当流动到达MDE时,平均速度剖面全部满足特殊的对数律,即MDE渐近线。该对数律类似于von Kármán对数律和Virk律,具有特定斜率κK-1=1/0.85。此外,MDE发生在弹性-惯性湍流态（EIT）范围内,该流态的自维持机制是由弹性效应驱动的。这类似于MDR流态,表明MDE的湍流本质也是EIT。因此,阻力渐近饱和行为（MDE和MDR）可被认为是EIT的普遍特性。MDE和MDR相似的动力学特征也再次证明,聚合物与湍流涡结构的相互作用具有普适性,这两种EIT的阻力特性截然相反是由于它们的湍流涡结构不同。以上发现不仅证明了粘弹性湍流的阻力渐近饱和行为（MDE和MDR）本质上是弹性非线性效应所致,还为最终解释阻力渐近饱和行为提供了新思路,即从聚合物与湍流涡结构的相互作用出发进行研究。