湍流边界层拟序结构是近代湍流研究的重要发现之一,是目前湍流研究中的一大热点问题。在工业和环境问题中,伴随湍流拟序结构产生的传热、扩散、摩擦阻力和噪声等现象引起了人们的高度重视。从节约能源和保护环境角度来看,发展有效的湍流控制技术对减少阻力和强化传热具有重要的意义。本文在湍流边界层拟序结构现有研究的基础上,应用数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了主动控制对流场传热和流动阻力特性的影响。本文运用亚格子动力模型对矩形空槽道流动进行了大涡模拟,获得了流场中压力场、温度场、速度场、涡量场和流动结构等物理量的信息,再现了湍流拟序结构的变化过程。通过对计算结果的分析,确定了可能对换热和减阻具有实际效果的六种主动控制模式;即扰动速度与流向成-30°、-45°、-90°、-135°、-150°、90°。对六种主动控制模式采用大涡模拟方法进行了数值模拟,得到了各种控制模式条件下的流动与传热特性,并对湍流拟序结构与流动、传热特性的相互作用与影响规律进行了分析。计算结果表明:-45°和-30°控制模式可以有效改变控制区域及其下游的速度场、温度场,具有强化传热的效果,且摩擦系数下降;而-135°、-150°、90°控制模式对速度场、温度场影响不大,虽有减阻效果,但换热效果也会下降。就流动换热的综合特性而言,-45°、-30°、-135°、-150°和90°等五种控制模式综合系数(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3大于空槽道水平,而-90°控制模式的综合系数小于空槽道水平。为对数值模拟的结果进行验证,本文对矩形槽道的传热与流动特性进行了实验研究,对数值计算的空槽道和90°控制模式进行了相关的实验研究,所得结果与数值模拟结果基本相符,一致性较好。