现代飞行器特别是军用飞行器的设计普遍追求高速、高机动和轻量化的要求,遭遇跨声速不稳定分离流的情形越来越多,各种形式的跨声速气动弹性问题日益凸显,并往往成为这类飞行器设计和使用过程中的瓶颈。虽然学术界和工程界已经针对跨声速气动弹性问题开展了诸多研究,但是若干气动弹性现象的诱发机理目前依然没有得到合理的解释,这直接导致了相关问题在型号设计和使用中频繁暴露,严重影响其设计进程和使用寿命。本文从跨声速复杂流动的精细模拟和建模出发,基于CFD/CSD时域仿真和降阶模型方法,建立了适用于气动弹性稳定性问题和响应问题的统一分析方法,并针对跨声速复杂气动弹性问题的诱发机理及其控制进行研究。论文主要研究内容如下:(1)开展了典型跨声速非定常流动的数值模拟,并基于仿真数据和DMD方法开展了抖振流动的失稳特性分析。二维抖振表现为单失稳模式-窄频特性,流动不稳定和非定常特性由激波的弦向振荡主导。三维抖振表现为多失稳模式下的宽频特性,其中的低频响应由激波的弦向和展向运动主导,展向失稳与展长和后掠角等因素引起的三维效应有关;高频响应由翼梢的K-H型失稳引起,但是URANS方法对这种失稳流动模拟能力有限。(2)基于ARX方法和ERA方法,建立了包含全局不稳定跨声速抖振流动在内的非定常气动力降阶模型,两种模型都能较精确地刻画流动的稳定特性随来流攻角和马赫数的变化,预测的抖振边界与CFD计算结果和实验结果吻合较好。耦合结构运动方程,进一步建立了跨声速气动弹性分析模型,该模型可以用于气动弹性稳定性问题和响应问题的统一分析。算例表明,模型分析精度较高,能够满足后续复杂气动弹性问题机理分析的需要。(3)揭示了若干复杂跨声速气动弹性现象的诱发机理。(1)跨声速嗡鸣本质是最不稳定流动模态与结构模态耦合导致的单自由度颤振,其诱发要求流动模态的阻尼足够低,往往在抖振边界附近或低超声速区,同时失稳的结构频率边界由系统的开环极点和零点对应的频率决定。(2)释放结构刚度之后,抖振始发边界会降低,表明传统的通过刚性模型预测抖振边界并进而指导工程设计的分析思路存在一定不足,弹性特征是工程抖振始发边界预测中不可忽略的因素。(3)跨声速抖振流动中的“锁频”现象并不是共振引起的,而是不稳定分离流下诱发的单自由度颤振,系统响应经历强迫振动到自激颤振的转变,这合理的解释了为什么锁频区域可以远离频率重合点,而传统的解耦方法会错误估计危险区间,并低估振动幅值。以上研究加深了对跨声速流动中几种复杂气动弹性问题诱发机理的理解与认识,将对工程实践中如何从根本上解决这些问题提供理论基础和指导。(4)开展了跨声速抖振的主动控制,并提出了一种新颖的被动反馈控制方法。主动控制采用尾缘舵面作为控制机构。首先在CFD仿真框架下,基于谐振舵面的开环控制可以使抖振载荷降低70%左右;采用基于升力系数延迟反馈的闭环控制能够实现抖振的完全抑制,但控制律的获取代价高。其次在降阶模型基础上,建立了升力和力矩系数输出反馈的闭环控制模型,并分别通过极点配置和LQR方法开展控制律设计。研究表明两种方法得到的控制律都能完全抑制抖振载荷,鲁棒性较好,最佳控制参数组合在反共振点处得到。被动反馈控制释放结构俯仰自由度,在适当的结构参数设计基础上,利用流固耦合中的模态吸引效应,通过降低结构模态的稳定性裕量,诱导流动模态特征根从不稳定相空间移动到稳定相空间,进而实现抖振抑制。该过程不需要外界的能量输入,是一种有应用潜力的控制策略。