壁湍流是自然界和工程中普遍存在的流动现象，壁面存在所带来的强剪切和强各向异性，使得壁湍流的预测和控制具有极高的挑战性。而在高速流动中，由于压缩性效应的引入，使得可压缩壁湍流的动力学过程和热力学过程相耦合，进一步加剧了问题的复杂程度。因此，揭示可压缩壁湍流中压缩性效应的影响机制和规律，对理解可压缩壁湍流的流动现象、发展预测模型和控制手段具有重要的意义。

1.压缩性对壁面摩阻的影响

采用Helmholtz分解，将速度场分解为剪切运动和涨压运动：u=u_s+u_d 

发现胀压运动对近壁雷诺切应力的贡献约为10%、对壁面阻力的贡献约为4%，发现涨压运动中存在沿流向正负交替分布的行波包络结构。Phys. Rev. Fluids 4, 123402 (2019)

        

流向涨压速度分布                             涨压结构与涡结构

2. 压缩性对脉动压强的影响

导出了压力满足的泊松方程，将脉动压力分解为快速项、慢速项、质量通量项和粘性项:

采用Helmholtz分解研究了剪切运动和涨压运动对脉动压强各分解项的影响，发现剪切分量不随马赫数变化，而涨压分量随马赫数的平方增加；剪切分量将动能转化为内能，而涨压分量和粘性相关项使能量反传。发现压力脉动中存在的行波包络结构来自涨压运动相关项，其流向特征尺度约为100粘性尺度。Phys. Rev. Fluids 5, 113401 (2020)

脉动压强瞬时分布   脉动压强各分解项分布

3. 冷壁高超音速壁湍流压缩性效应

随着壁温的降低，压缩性效应显著增强。对壁面附近的强压缩事件附近的流场进行条件平均，可知近壁散度呈现为流向正负交替的行波包络结构，其周围为“上抛-下扫”事件引起的发卡涡包。根据速度和温度脉动在谱空间中的相关性，提出了根据速度脉动重构大尺度温度脉动能谱的方法。Phys. Fluids 33, 075106 (2021)

涡结构与涨压结构瞬时分布

强压缩结构周围的涡结构（左）与流线分布（右）

4. 近壁速度和温度的预测模型

在可压缩壁湍流中，近壁区速度和温度受到外区大尺度运动的叠加和调制作用；将密度变化引入速度的预测模型可消除马赫数效应；基于强雷诺比拟推导出温度脉动的预测模型，其与外区大尺度信号成二次关系。J. Fluid Mech. 937, A32, (2022)

近壁和外区流向速度和温度脉动的分布