众所周知,壁面粗糙度广泛存在于能源、化工等领域,粗糙度的存在不仅破坏了边界层原有的粘性底层结构,而且严重影响着边界层内的流动特征以及两相流动中颗粒的弥散过程。因此,研究粗糙度对于湍流边界层的影响具有很强的工程应用和科研价值。本文采用直接数值模拟方法、内嵌边界算法和点源方法相结合的方式,对粗糙壁面上单相和两相湍流边界层进行了比较系统的研究,以揭示湍流-颗粒-壁面粗糙度等多物理场耦合的作用关系及影响机理。首先,通过计算圆柱和圆球绕流两个算例,验证了本文所采用的内嵌边界算法在中高雷诺数和拉伸网格系统下的正确性和准确性。随后,在此程序的基础上开展了半圆球粗糙壁面上湍流边界层流动的直接数值模拟研究,考察了不同壁面粗糙度对于湍流边界层流场、拟序结构、各向异性等的影响,探讨了粗糙元诱导产生出的涡结构在边界层中的演变过程及内外层涡结构的相互作用机理。通过研究发现,粗糙元顶端周期性脱落的发卡涡与边界层内的湍流涡相互作用,破坏了原有的近壁面湍流结构,引起了较强地内外层的动量交换,缩短了边界层内相干结构的尺寸。粗糙元的存在增大了流动阻力,使得流向速度明显降低,而粗糙元的阻塞效应使得流向上的能量部分转移到展向和法向上,从而降低了流向脉动速度,增大了法向和展向的脉动速度,并且研究同样证实了粗糙元的阻塞效果与其形状之间有着重要的关联性。其次,本文开展了 Gauss随机粗糙壁面对于层流和湍流边界层影响的研究,研究了 Gauss随机粗糙壁面诱导扰动的增长模式,分析了不同相关长度、歪斜度和峰态在扰动能量增长方式上的作用机理,以及Gauss随机粗糙壁面对于湍流边界层流场和拟序结构等的影响规律。研究表明,随机粗糙壁面与规则布置粗糙元类似,同样可以引起扰动能量的瞬态增长模式。其中,粗糙壁面的歪斜度和峰态不仅影响着不同波长扰动能量的分布,而且影响着各波长随后的增长过程。而扰动能量的谐波波长与流向和展向的相关长度均有关。在湍流边界层中,粗糙壁面的波峰的歪斜度和峰态以及波峰间的关系同样影响着流场、涡结构和湍流雷诺应力的产生和发展过程。通常波峰峰值较高时,湍流涡及雷诺应力的形成会比较明显,而当两波峰相互紧邻分布时,会起到相互抑制影响的效果。最后,在单相湍流边界层的基础上,本文开展了半圆球粗糙壁面上两相湍流边界层流动的直接数值模拟研究,考察了湍流-颗粒-粗糙度之间的相互作用机理。研究发现,颗粒的加入抑制了粗糙元顶端涡结构的产生,改变了粗糙元后方回流区长度,削弱了粗糙元对于边界层的影响。与光滑壁面上湍流边界层相比,粗糙元的存在使得近壁面区域的流体和颗粒速度低于单相流体速度,并且雷诺应力峰值位置得到上移。此外,粗糙元引发的喷出和扫入事件将近壁面颗粒运输到外层,从而造成近壁面区域颗粒的优先聚集现象减弱,并且其效果随着粗糙元间距减小而增强。对于小尺度颗粒,由于其较小的颗粒惯性,使得一部分颗粒跟随流体运动到粗糙元前后的回流区。与大尺度颗粒相比,在法向上分布的更为均匀。