带冰翼型失速分离流动数值模拟和模态分析

为了对防除冰问题进行精细化模拟和对带冰机翼进行全局稳定性分析，采用改进延迟脱体涡模拟（improve delayed detached-eddy simulation, IDDES）方法，对GLC305翼型带944号冰形表面复杂流动进行了非定常模拟。基于此，分别采用本征正交分解方法（proper orthogonal decomposition, POD）和动态模态分解方法（dynamic mode decomposition,DMD）对模拟结果进行模态分析，以提取影响流动分离的主要模态，最后对流场进行重构。结果表明，IDDES方法准确预测了翼型升力系数和冰角下游的压力平台等特征，清晰地捕捉了冰角后剪切层失稳脱落形成的涡结构及在向下游流动中涡结构合并、破碎的发展过程。基于IDDES获得的非定常数据，POD方法识别出角冰诱导剪切层中的两种典型脉动频率，且在前几阶主要模态中均存在，意味着这两种脉动模式对流动的主导作用。另外，DMD方法得到的每个模态对应单一的频率和放大率，部分模态处于发散状态，这是导致流动不稳定发生的主要机制。研究还发现POD和DMD主要模态的能量序列均从翼型中部开始，这与...     

基于POD和DMD方法的跨声速抖振模态分析

跨声速抖振现象是由于非定常跨声速流动中激波的自激振荡而引起的结构强迫振荡,这种现象在跨声速飞行器中普遍存在,对飞机的结构强度和疲劳寿命有不利影响。基于模态分解的分析方法是进一步发展抖振控制手段的有效工具。本文通过两类典型模态分析方法（本征正交分解（POD）和动态模态分解（DMD））对OAT15A翼型的跨声速抖振现象进行分析,通过对模态频率、翼面压力分布、流场重构误差等方面的研究,将两种模态分解方法进行对比。发现基于频率特征的DMD方法能够准确捕捉抖振的临界稳定特征和抖振主频的典型模态,同时能够更准确反映流场变量在激波间断附近随时间的变化过程;而POD方法尽管在流场重构时具有较小的总体误差,但对激波附近压强随时间的变化历程拟合较差。     

翼型前缘变形对动态失速效应影响的数值计算

翼型或机翼的动态失速效应所引起的低头力矩和正气动阻尼限制了飞行器气动性能的提高,甚至可能诱导发生不稳定运动。应用于小尺寸机翼的前缘动态变形（DDLE）技术,通过实时改变前缘形状,能够改善翼型前缘区域的速度梯度,进而抑制动态失速效应。采用转捩剪切应力输运（SST）黏性模型结合分区混合动态网格技术,研究了这种前缘变形对机翼俯仰运动所引起的非定常流动的影响,得到通过小幅度前缘变形抑制和延迟动态失速的方法,从而提高翼型的气动性能。翼型NAC A0012的数值模拟结果与动态失速风洞试验结果比较表明：所使用的数值计算方法能够较为准确地模拟翼型在动态失速过程中升力系数与俯仰力矩系数的变化情况,可用于研究前缘变形对翼型俯仰运动所引起的非定常流动的影响。前缘动态变形翼型俯仰运动过程的非定常流场的数值模拟表明：在大迎角下不同幅度的前缘下垂运动能够抑制流动分离的发生,从而抑制动态失速,但在大迎角下小幅度高频率的前缘下垂变形能更高效地抑制动态失速;前缘变形幅度以及变形沿中弧线的分布对升力系数和俯仰力矩系数的影响并不明显。     

基于DMD方法的翼型大迎角失速流动稳定性研究

基于剪切应力输运湍流模型的SST-DDES混合方法对NACA0012翼型大迎角分离流动进行非定常数值模拟,采用动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)数学工具对失速初始状态、浅失速状态以及深失速状态的流场进行稳定性分析。结果表明:DMD方法准确地提取了翼型大迎角流动中的主频和高阶倍频及对应的流场模态结构;与FFT分析结果相比,频率最大差异小于0.16%;且发现两者提取的频率在流动中的主导作用顺序也一致。通过特征值对相应的模态进行稳定性分析,所有模态的放大率均非常小,所有模态处于弱发散、弱收敛或稳定极限环状态。DMD提取的一阶模态主要表现为分离涡演化过程中最主要的静止分离涡结构,前三阶低频对应的模态涡结构与流动中以此频率进行演化的涡结构比较一致,更高阶的倍频主要表现为尾涡和尾迹区的涡结构。且发现不同模态系数之间存在相位差,说明分离涡流动中不同频率对应的涡结构运动不同步。     

基于拉格朗日拟序结构的局部激励流动分离控制有效性分析方法

从流体输运角度提出了用于局部周期激励流动分离控制有效性研究的数值分析方法。基于有限时间不变流形理论建立用于非定常流动的流体输运分析方法,并采用数值方法从非定常流场中提取得到吸引拉格朗日拟序结构（LCSs）和排斥LCSs描述流体输运行为。通过对局部周期激励的流动分离控制规律的研究,结果表明存在三种与激励频率相关的影响翼型气动特性的流体输运模式,其中在锁频激励下吸引LCSs在前缘形成的尖楔结构有效增强主流与分离区流体的物质交换,减小翼面流动分离区的面积,显著提高翼型升力。     

平均攻角和振幅对振荡翼型气动特性的影响

采用一种基于k-ωSST模型和γ-θ转捩模型的雷诺平均N-S方程数值方法,对雷诺数Re=1.35×105下的NACA0012振荡翼型和静态翼型非定常流场和升力特性进行模拟,在缩减频率K=0.1的条件下研究了翼型振荡运动中平均攻角和振幅对平均升力系数的影响,并与静态翼型的升力特性及实验结果进行了对比。结果表明:当平均攻角小于临界攻角时,翼型的振荡运动会降低平均升力系数,当平均攻角大于临界攻角同时最小攻角小于临界攻角时,翼型的振荡可以提高平均升力系数。在平均攻角为12°~17°时,翼型振幅为6°左右时可获得最大平均升力系数,与静态翼型相比,平均升力系数可提高30%~45.7%。当振荡过程中最小攻角对应静态翼型轻失速攻角时,翼型上仰阶段前缘涡的产生和集中涡的稳定附着是平均升力系数大幅度阶跃式提升的原因,静态翼型与振荡翼型的组合可提高升力并拓宽攻角范围。     

DMD方法对流场特征捕捉能力的研究

为论证动力学模态分解(DMD)方法对流场主要特征的快速识别能力,分别计算分析了有、无激波产生的2组翼型中相同工况下的翼型振荡运动。在S-A方程湍流模型下,得出了翼型表面的流场压力数据,并完成DMD分解。在DMD模态云图及特征频率中,可以识别出翼型周围流场的流动结构与主要的动力学信息。结果表明,有、无激波算例中分别捕获了翼型的非定常流动特征,前4阶DMD模态反映了一系列的流场特征信息:一阶模态可以基本匹配均匀流场的形态;二阶DMD模态的频率则与翼型预设的振荡频率恰好匹配,剩余的三、四阶模态则正好反映了这一振荡频率的倍频。在有激波流场算例中,后3阶模态均准确地捕捉到了激波间断处;无激波的流场算例中,后3阶模态则可以有效地捕捉到大压差区域。     

动力学模态分解及其在流体力学中的应用

随着计算流体力学和先进流动测试技术的发展,流动的刻画越来越精细,伴随而来的海量流场信息的模态提取与复杂动力学特征的模型化成为当前流体力学的研究热点。动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)作为一个全新的时空耦合型动力学建模方法,得到迅速推广。DMD是一种数据驱动的非定常流场模态分析手段,可以准确捕捉各个流动模态的频率及增长特性,并建立流场演化的动力学降阶模型,以重构或预测流场动力学过程。本文针对DMD在流体力学研究的应用问题,重点综述了DMD算法自提出以来的一系列改进以及对不同流动现象的应用,并通过典型测试算例说明DMD的应用过程。在此基础上,讨论了DMD的研究现状及未来发展方向。     

进气道激波串振荡的模态分解及快速预测

为研究隔离段自激振荡现象,采用2阶时间和空间精度、非结构网格、剪切应力输运(SST) k -ω湍流模型有限体积法程序对二元进气道在高反压下的非定常特性进行数值模拟,成功捕捉到激波串自激振荡现象,在此基础上利用本征正交分解(POD)和动力学模态分解(DMD)方法对其进行分析。结果表明:该自激振荡是低频主导、多频耦合的复杂振荡现象;基于本征正交分解和动力学模态分解构建的预测模型均能准确快速地预测出非定常流场的演变特性,预测误差小于0.2%,前者耗时为0.22 s,后者耗时为0.05 s。      

圆柱扰流非定常流动流场动力学模态分解

为了解圆柱扰流中的大尺度有序运动特征,采用非定常数值仿真方法对圆柱扰流进行了研究,通过短时傅里叶变换方法对流场内典型监测点进行了时频分析,并引入DMD方法对非定常流场进行分析,获取了各阶流场模态的频率及分布特征。结果表明:DMD方法提取的模态频率与圆柱后方典型监测点时频分析得到的频率吻合较好,1阶模态表现为圆柱后方两侧形成的双列涡脱落特征,2阶模态表现为两侧涡团在圆柱正后方相互作用形成的类驻波特征。采用DMD分析与CFD计算相结合的方法,可以用于研究圆柱扰流的非定常流动特征。     

翼型动态失速等离子体流动控制试验

针对动态失速引起的翼型气动性能恶化的问题,利用小型化的激励电源和介质阻挡放电等离子体激励器,借助动态压力测量和外触发式粒子图像测速（PIV）等手段开展了翼型动态失速等离子体流动控制试验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均气动力,提高翼型气动效率,减小气动力随迎角变化的迟滞区域。等离子体诱导出前缘附近的贴体翼面涡,促进分离流再附;增加了上翼面0.2~0.4弦长区域的吸力,减小了升力系数功率谱密度（PSD）分布的二、三、四阶能量幅值,在研究工况下实现了平均升力系数增加7.1%、失速迎角推迟1.3°和迟滞区域减小4.5%的明显控制效果;4°~9°迎角段,等离子体使得翼型平均阻力系数减小40%。此外,振荡频率增加使翼型绕流的非定常性增强,较高雷诺数下的翼型动态分离涡更加难以被抑制,均需要增加等离子体激励强度才能达到较好的控制效果。     

基于POD方法的跨声速轴流压气机转子叶顶间隙流场分析

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 36为对象,研究了叶顶间隙流场的非定常流动特性。在数值模拟结果的基础上,采用本征正交分解(POD)方法获取POD模态和时间系数分布规律,进一步分析了近失速工况下叶顶间隙流场的流动特性。结果表明:在近失速工况下,叶顶间隙流场的主导频率为叶顶泄漏涡频率,约为0.6倍转子通过频率;能量较高的POD模态决定了叶顶泄漏涡的波动频率和幅值,低能量的高阶涡则影响流场的细微结构;同时发现,前5阶POD模态就可以很好地重构流场,这为低阶模型的应用提供了一定的理论指导。      

采用DMD方法研究叶栅不同攻角的拟序结构

为分析平面叶栅分离流非定常拟序流动特征,对三个不同攻角下的叶栅进行了单通道的大涡模拟仿真,并采用动力模态分解（DMD）三个工况的流场结构进行了分析。DMD方法对包含复杂时空信息的叶栅分离流流场进行了解耦,剥离出了反映流场主要动力信息的模态,获得了其频率和与之对应的空间结构。并且通过DMD方法,将原本需要研究大量不同时刻的流场,转移到仅需要对少量模态的研究即可,实现了保留主要动力特征的低维近似。通过DMD分析表明:气流经过叶片前缘产生流动分离,形成不稳定的剪切涡结构,它和尾迹区脱落涡相互耦合,并形成新的拟序结构。随着攻角的增大,前缘剪切涡及其与尾迹涡的耦合也同时增强,流场变得更加复杂。      

压气机失速先兆及转子多工况流场的DMD分析

对NASA Rotor 37跨声速轴流压气机级在多工况下的非定常流场进行了流固耦合数值模拟,采用动力学模态分解(DMD)方法得到了流体压力和速度的模态信息并绘制了模态云图,数值判定了压气机各工况的稳定性,获得了流动特征结构,通过模态云图发现了近失速点突尖型失速的初期表现。结果表明:在计算的多种工况中,近失速点和堵塞点均存在不稳定的模态阶次;DMD方法识别的各阶频率与压力信号频谱分析结果的最大误差为063%;随着背压上升,相邻两叶片通道内高压低速流体团位置逐渐向叶片前缘移动,范围逐渐扩展;在近失速点,尾缘回流与主流的掺混在叶片吸力面中部产生了半椭球形的旋涡并造成流道堵塞,是突尖型失速的初期表现。     

微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响

以西北工业大学自行研制的微型扑翼飞行器ASN211为研究对象,利用其简化的二维扑翼及平尾串列翼模型进行了非定常数值模拟,分析了扑翼俯仰运动及沉浮运动对平尾气动性能的影响。在数值模拟模块中,模型的俯仰运动及沉浮运动由动网格技术实现。通过计算流体力学(CFD)软件Fluent对此非定常流场进行数值计算,重点研究了扑翼非定常运动尾流对平尾气动效率的影响。定常状态与非定常时均条件下平尾升力曲线的对比分析表明,扑翼的非定常运动能够增大平尾的失速迎角及最大升力系数,因而使平尾的失速特性得到改善。     

合成射流激励器流场PIV实验及模态分析

为了获得合成射流激励器流场细节特性,优化合成射流流动控制系统,对于静止流场中的合成射流激励器,通过位移传感器、热线风速仪和时间分辨粒子图像测速（TR-PIV）系统,对激励器时间响应和特定工况下的流场特性进行研究,并针对TR-PIV得到的流场快照运用本征正交分解（POD）和动力学模态分解（DMD）进行模态分析。通过自定义POD和DMD的初值贡献模态和时间系数将两种分析模型标准化并对比,选取前七阶POD模态和前四阶DMD模态进行流场还原,成功表征了原流场的主要信息,表明运用POD和DMD方法进行的降阶过程在合成射流研究中的适用性,降阶模型可以有效指导和简化合成射流流动控制流场的分析过程。     

基于POD方法的弯曲扩压通道分离流控制的时空特性分析

为了分析一种运用于压气机内分离流控制的无源脉冲射流控制技术的特点,基于弯曲扩压通道试验模型进行了脉冲射流控制的试验和数值模拟研究,结果均表明当射流频率接近通道内分离涡主频时控制效果最为明显;引入了本征正交分解（POD）技术对无控状态下通道内流场结构进行分析,得到了POD各阶模态的流动结构特征。在此基础上对比分析了定常及非定常控制特点,结果表明：非定常控制方式主要是重分配各阶模态之间的能量,有选择性地强化或削弱某阶模态;定常射流控制则是整体削弱高阶模态,压制通道内复杂流动现象;合理地构建脉冲射流可使能量从高阶模态向平均流模态进行转移,能量的转移通过空间流场结构的重构和模态时间演化特性的序化实现。最后针对POD分析结果进行了验证性试验研究,试验结果部分反映了时空特性的变化规律,提升了POD分析结果的可信度。     

翼型动态失速影响因素及流动控制研究进展

深入认识翼型动态失速，结合有效流动控制手段，对解决直升机、风力机桨叶等动态失速引起的高阻力、大低头力矩等气动问题具有重要意义。本文首先介绍了翼型动态失速的流场特点和危害，进而分析了缩减频率、雷诺数、马赫数以及翼型型面等参数对动态失速的影响，并在此基础上总结了常见的动态失速流动控制方法及其研究进展。等离子体气动激励易于产生快速、可控的宽频带气动激励，在动态失速控制领域具有潜力，本文着重介绍了等离子体气动激励动态失速控制的概念和流动控制原理，总结了近来年等离子体激励在翼型动态失速控制上的进展。     

多段翼型局部主动变形流动控制的非定常数值模拟

对30P30N三段翼型失速攻角附近的分离流动进行了数值模拟研究。为了抑制大攻角时背风区的流动分离,在主翼段上表面引入了行波壁变形模型和抛物型局部主动振动模型,利用作者以往发展的动态混合网格技术和相应的非定常计算方法,对变形过程中的非定常分离流动进行了数值模拟,分析了各种变形参数对流动分离的影响。计算结果表明,在适当的条件下,局部主动变形能够抑制翼型背风区的分离,由此可以起到增升减阻的作用,改善翼型的气动性能。     

一种基于动模态分解的翼型流动转捩预测新方法

考虑自由转捩的定常/非定常流动Navier-Stokes方程数值求解,对于翼型流动细节的精确模拟和气动力的精确预测均具有十分重要的意义。采用动模态分解(DMD)方法进行流动稳定性分析,再结合e N方法,提出了一套适用于翼型绕流的转捩预测新方法,称为DMD/e N方法。相比于传统的线性稳定性分析方法,DMD方法不需要求解附面层方程和线性稳定性方程,也没有引入平行流假设,具有更好的理论适用性和算法鲁棒性。开展了NLF0416、S809和SD7003等翼型的转捩预测数值验证研究,通过与实验结果以及与传统的基于线性稳定性分析的e N方法的比较,验证了本文所发展的转捩预测新方法在预测翼型的定常流动和非定常流动转捩方面的正确性,也表明了该方法具有解决含层流分离泡的翼型绕流转捩预测的能力。