稀薄气体效应，是指气体在特征尺度与其分子平均自由程相当的系统中流动时出现的非平衡效应。相比于单原子气体，分子气体（每个气体分子包含两个及以上原子）流动因同时具有转动、振动等多种自由度的非平衡过程，其稀薄效应更为复杂。分子气体稀薄效应在航空航天、微机电系统和页岩气开采等民生、科技领域广泛存在，而描述该效应的动理学模型与数值模拟方法尚不成熟。本文从单原子气体与玻尔兹曼方程出发，介绍气体动理学建模的相关研究现状，针对分子气体特性详细讨论气体弛豫过程与输运系数的关系。针对典型的稀薄气体流动验证常用的模型方程的精度，并指出直接模拟蒙特卡罗方法在分子气体稀薄流动应用中存在的问题，即在体积黏性确定的情况下无法指定热流弛豫速率及恢复热导率。随后针对此问题，使用吴模型量化研究该弛豫速率在分子气体稀薄流动模拟中导致的宏观量的不确定性，并讨论从分子动力学模拟和瑞利-布里渊散射实验中减小甚至消除不确定性的方法。本文对涉及化学反应的稀薄气体流动建模有指导意义。

随着高速、超高速轨道交通的快速发展，需要发展新型的风洞设备，实现风洞性能和试验能力的突破。磁浮飞行风洞是利用真空管道列车概念结合动模型试验技术提出的一种新概念风洞设备，可以构建出更加接近真实状态的测试环境。本文从磁浮飞行风洞基本概念、国内外研究现状及发展趋势、试验技术、应用需求等几个方面开展论述。首先论述了国内外传统风洞和动模型设备的现状及发展趋势，指出了发展磁浮飞行风洞的必要性；其次，重点对磁浮飞行风洞需要发展的试验技术进行了分析；最后，对磁浮飞行风洞在超高速轨道交通及其他领域的应用需求进行了展望。

纳秒脉冲表面介质阻挡放电等离子体在高速、高雷诺数下的流动控制领域具有非常大的潜力。文章对纳秒脉冲等离子体流动控制发展的起源、现状和趋势进行了综述。分别从实验研究和数值模拟两方面进行，主要以气动激励机理探索、现象研究以及流动控制机理为主线进行相关文献的总结归纳。目前，纳秒脉冲等离子体研究的关键科学问题集中在电场激励-气动诱导过程的机理探索与流动控制应用机理研究两方面，研究的难点在于涉及多时间尺度、多物理场耦合。注重解决多时间尺度、多物理场耦合问题的数值模拟算法、实验技术将成为解决上述科学问题的关键突破点。关键科学问题的解决有利于为激励器及控制系统的设计提供优化准则。

针对多相复杂流体系统模拟研究，简要介绍从格子气模型到离散玻尔兹曼方法的发展历程。从统计物理学基本原理出发，通过粗粒化建模思路，给出玻尔兹曼方程；分析Chapman-Enskog多尺度展开方法所蕴含的测量逐步细化的物理图像，给出离散玻尔兹曼建模的基本原则和主要步骤。简要介绍离散玻尔兹曼在相分离、燃烧、流体不稳定性等系统中的应用。对于多相复杂流体系统的动理学建模，技术关键是分子间作用力和化学反应贡献的引入。不同颜色的示踪粒子的引入，使得在单流体理论框架下即可实现混合过程中物质粒子来源的确定；示踪粒子在其速度相空间的分布所形成的结构蕴含丰富的流场信息，为复杂流场研究张开一个全新的视角。在多介质情形，离散玻尔兹曼建模与动理学宏观建模的对应关系是一对多。随着系统非平衡程度加深，相对于动理学宏观建模与模拟思路，离散玻尔兹曼建模与模拟的复杂度上升速度较慢。作为系统行为粗粒化描述的一种物理模型构建方法，离散玻尔兹曼根据研究需求，选取一个视角，研究系统的一组动理学性质，因而要求描述这组性质的动理学矩在模型简化过程中保值；是动理学直接建模方法的一种，为连续介质建模失效或物理功能不足、而分子动力学方法因适用尺度受限而无能为力的介尺度情形提供了一条方便、有效的研究途径。

应用具有拉格朗日性质的运动单帧长曝光（MSFLE）图像测量方法，对矩形管内湍流边界层涡结构合并现象开展了实验研究。研究了雷诺数Re_θ在97到194之间管道湍流边界层流向-法向平面内涡合并现象。在实验中，测量系统以与涡运动速度相近的速度匀速移动，采用连续长曝光记录示踪粒子运动轨迹，以捕捉涡随时空的演变过程，骨架提取图像处理算法获得示踪粒子速度，并应用Liutex物理量表征涡的旋转强度。研究表明：MSFLE方法测量装置简单，对实验条件要求低，可从拉格朗日视角直观测量湍流边界层涡结构及周围流场的时空演变过程，MSFLE图像测量方法与Liutex涡识别算法结合可以很好地应用于湍流边界层涡结构的可视化与量化。矩形管内湍流边界层涡合并的条件是两个涡相邻、强度和尺寸基本相同且为同向旋转涡，合并中两个涡的强度呈反向变化，合并生成的新涡的强度和尺寸基本为初始合并时两个涡之和，且旋转方向与两个涡同向。

作者的研究团队近几年在可压缩湍流的多尺度性质方面开展了系统的研究工作。通过多过程分解，研究了可压缩湍流中的速度和热力学量的剪切部分、胀压部分、伪声模态、声模态、熵模态的多尺度性质，并总结了各类可压缩条件下的速度和热力学量的谱的标度律。通过滤波方法，研究了动能和热力学量的多尺度传输现象，并重点分析了可压缩性对动能胀压部分的多尺度传输的影响。在可压缩均匀剪切湍流中，可压缩效应更加明显，可压缩湍动能和耗散率等物理量的马赫数标度率与各向同性湍流类似，但胀压分量所占比重更大，并且变形速度张量特征值的概率密度函数和流动拓扑结构的比例分布等统计量随马赫数的变化也更加明显。对于振动非平衡可压缩各向同性湍流，平动-转动内能模式和振动内能模式间的弛豫效应导致密度梯度与振动温度梯度方向的偏离，从而弱化了流场中压缩和膨胀运动对振动弛豫率的影响。化学反应放热会显著增加流场的压缩与膨胀运动，导致速度胀压分量和热力学量的能谱在所有尺度均增大，湍动能和耗散率的标度律表现出马赫数无关性。