分离流动是航空航天、桥梁船舶、生物化工等众多领域经常会遇见的一种流动现象。分离流的流动结构很复杂,流动具有强烈的非定常、非线性特性,给结构强度和稳定性带来了很大的影响,引起许多复杂的气动弹性问题。现有的针对分离流动的气动弹性研究工作不够深入,对相关气动弹性问题诱导机理的理解还存在不足,缺乏合理的解释。本文针对航空航天领域典型的分离流动,采用非定常气动力与结构动力学相耦合的时域仿真方法,以及基于气动力降阶技术的气动弹性分析方法,开展分离流中的气动弹性问题研究,并对相关复杂气动弹性问题的诱发机理进行分析研究。主要涉及低速大迎角失速流动、大迎角旋涡脱落流动、跨声速激波抖振流动与大迎角三角翼分离旋涡流动。论文主要研究内容如下:(1)研究了振荡翼型大迎角旋涡流动中的锁频现象,开展了锁频特性的研究。针对大迎角状态下的旋涡脱落流动,采用基于雷诺平均的Navier-Stokes方程对NACA0012翼型俯仰方向的简谐运动进行了数值模拟,研究不同形式的结构振动对分离旋涡流动特性的影响。研究中发现了流动的锁频现象,表现为流动特征频率不再是旋涡脱落频率,而是与翼型振荡频率保持一致。锁频存在的范围区间受翼型振荡频率和幅值的影响,呈V形的漏斗状,表现出明显的不对称性。由于旋涡流动的强非线性特性,翼型振荡相位对流动特性也有一定的影响,尤其是处于过渡状态的流动,容易受到振荡相位的影响,流动特性转变为锁频状态。(2)建立了基于气动力降阶技术的翼型大迎角失速颤振气动弹性分析方法,揭示了大迎角失速颤振的诱发机理。针对大迎角失速后、旋涡脱落前的分离流动,使用基于系统辨识的气动力降阶模型,耦合结构运动方程,在状态空间内建立了基于ROM技术的气动弹性分析方法。考虑翼型俯仰自由度的弹性效应,开展了翼型大迎角失速颤振的稳定性分析及诱发机理研究。研究发现,大迎角失速后,流场存在潜在的不稳定流动特征模态。越接近旋涡脱落的临界迎角,流动潜在的不稳定性越强烈,弹性翼型越容易发生气动弹性失稳。翼型大迎角失速颤振的失稳特性中存在模态跃迁现象,流动模态和结构模态相互耦合相互竞争导致系统在不同状态表现出不同的失稳特征。在较大结构固有频率或较高质量比时表现为结构模态失稳,而在较小结构固有频率或较低质量比时则表现为流动模态失稳。大迎角失速颤振的本质是不稳定流动模态和结构模态相互耦合引起的单自由度颤振。(3)通过CFD/CSD耦合方法对跨声速复杂气动弹性现象进行了深入分析,重点针对弹性翼型跨声速抖振流动中出现的锁频现象,开展深入细致的锁频特性研究,以及锁频诱发机理的探索研究。对传统共振诱导锁频的学说提出了质疑,并提出了模态耦合颤振诱发锁频的新观点。研究发现,本文的锁频存在区间已远远偏离典型共振区,不再满足频率接近条件,而且翼型俯仰位移的幅值也没有在频率共振点处达到最大值。而质量比和结构阻尼对锁频区间的影响,也超出了传统共振理论所能解释的范围。本文的锁频现象已无法再用传统共振诱导锁频的机理来解释。在本文的研究结果中发现,远离典型共振区时,翼型的力系数响应曲线呈现流动模态和结构模态相互竞争的局面,系统响应经历强迫振动到自激振动的转变,最终导致结构模态失稳,诱发锁频。由此可见,跨声速抖振中的锁频现象并不是由共振引起的,而是由不稳定流动模态与结构模态相互耦合诱发的单自由度颤振引起的。(4)使用CFD/CSD数值方法系统地研究了三角翼分离涡破裂前和分离涡破裂后的复杂气动弹性问题。为了缓解计算精度和计算效率的矛盾,分别采用不同的气动力求解方法对三角翼分离涡破裂前和分离涡破裂后的气动弹性问题进行研究。采用Euler方法求解分离涡破裂前的气动力,而采用DES方法求解分离涡破后的非定常气动力,然后耦合结构运动方程,进行气动弹性问题研究。研究发现,三角翼主体分离涡破裂前的流动表现出强烈的无黏特性,其气动弹性问题表现为单纯的颤振问题,主要由结构一二阶模态的耦合诱发颤振失稳。而分离涡破裂后的流动具有强烈的气动力非线性,相应的气动弹性问题比较复杂,既存在颤振失稳特性,也存在抖振特性,呈现颤振与抖振博弈的现象。