超声速/高超声速边界层转捩后期流场的模态分析

将动力模态分解(DMD)方法应用到超声速和高超声速边界层转捩后期的流场分析中,通过获得流场主要的相干结构和对模态的重构,研究了相干结构与壁面阻力和热流的关系。结果表明超声速和高超声速边界层转捩的流场结构存在明显差别。超声速转捩流场由低频流向涡的模态主导,这些模态对转捩后期的壁面阻力和热流有重要贡献;高超声速转捩流场中存在多个不同量级频率的模态,在DMD频谱上表现为多个不同的分支,通过对不同分支能量最高的模态进行考察,我们发现低频模态的结构为流向条带,高频模态的结构为二维扰动波,这些模态对壁面阻力和热流的影响与模态的结构形式类似。     

阀体后90°圆形弯管内部流场PIV测量及POD分析

利用激光粒子图像测速技术对阀体后90°圆截面弯管的内部流场进行测量,获取了弯管流场在不同来流流速及观测截面上的高分辨率瞬态速度场数据。分析了图像相关计算所获得的瞬态及时均速度场,对流场进行本征正交分解,并进一步分析重构脉动场中的涡结构特性。结果表明：流体流经蝶阀在弯管中形成卡门涡街,涡结构信息包含在本征正交分解低阶模态中,脉动场的模态重构可以还原涡的流动特性。     

基于变分模态分解的壁湍流拟序结构形态研究

应用多分量准二维变分模态分解技术,对直接数值模拟的湍流边界层的流向-法向平面进行了分解。通过对从低雷诺数到中等雷诺数(Reτ=400～1750)各个工况的瞬时流场的观察,定性地得到了不同模态所对应的物理结构特征。通过两点相关云图形态和倾斜角度的比较,定量地对比了不同模态对应的拟序结构倾角随法向高度的变化。一阶模态主要对应大尺度扫掠/喷射事件,第二阶模态则对应近壁流向涡结构。两阶模态的拟序结构倾角随法向高度的变化趋势与雷诺数呈弱相关,表明大小尺度模态的几何特征在所研究的雷诺数范围内存在自相似性。     

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。      

撞击流混合器速度信号的Hilbert-Huang变换分析

应用激光多普勒测速系统,对撞击流混合器的流场瞬时速度进行了测量。将Hilbert-Huang变换（HHT）应用于瞬时速度信号的分析,提取出各阶内禀模态函数（IMF）并通过经验模态分解（EMD）对速度信号进行滤波降噪。通过希尔伯特谱分析（HSA）确定了撞击流混合器速度信号的能量分布状况,信号能量集中于低频区,即存在于尺度较大的流体涡旋中。分析速度信号各阶内禀模态函数在不同频段的能量分布与转换,发现不同频段IMF的能量分布与流型转变之间的对应关系。通过能量特征值的提取表明,提高螺旋桨转速有助于强化系统的混合效果。最后将撞击流混合器的流场由内而外划分为中心区、涡旋区和回流区3个部分。     

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。     

压气机动静叶干扰的非定常流动特性

采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法计算动叶尾迹对静叶干扰的流场信息。利用涡量分布揭示动叶尾迹在静叶通道内的演化过程,利用压力梯度识别激波结构及波振源,运用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法对静叶通道内流场的时空结构进行模态分解。结果表明:流场中存在3处波振源,分别位于动叶尾缘、静叶前缘和静叶尾缘处;发现静叶通道内流场的频谱具有多峰值现象,模态分解的第1阶流动代表动叶尾迹在通道内随时间迁移,对应频率为动叶通过频率(blade passing frequency,BPF)是通道内旋涡非定常波动的主导频率;第2阶流动是动叶通过频率的2倍频流动,旋涡的空间尺度为1阶模态的1/2,为更小尺度的扰动。      

耦合POD重构舰面流场的直升机舰面起降数值模拟

为解决舰面非定常流场数据量过大的问题,采用本征正交分解(POD)方法对舰面流场进行重构,发展了一种耦合POD重构流场的直升机舰面起降数值模拟方法。首先采用计算流体力学(CFD)方法计算舰面非定常流场,获得离散数据样本;然后提取流场的POD模态,并截取能够捕捉到原流场主要特征的少量模态对原流场进行重构;最后建立耦合重构舰面流场的直升机高阶飞行动力学模型。以直升机返航进场为例进行数值模拟,并将计算得到的操纵量和飞行状态与飞行试验结果进行对比。结果表明:使用POD方法重构后的舰面流场数据约为原始样本数据的8.5%,且重构流场与原始流场吻合良好,POD方法能够解决舰面非定常流场数据量过大的问题。与飞行试验数据的对比表明,本文方法捕捉到了舰面非定常流场对直升机的影响,可用于直升机舰面起降研究。     

基于小波分析的一种涡结构分析方法

为从PIV测量的速度场中获取更多的定量信息,如涡尺度和涡结构等,本文利用bior5.5双正交小波4层分解,重构后得到各层分解速度场,并求出对应分解速度场对应的涡量场和旋转强度场来分析流场中涡的旋转强度及结构。应用这种方法分析冲击射流流场,得到了流场中大涡和小涡的分布以及携带的能量等信息。     

基于IMF能量分布重构的目标检测技术

为提高海杂波中慢速目标的检测性能,提出了一种基于IMF能量分布重构的目标检测技术。该算法对原始信号尖峰区域经经验模态分解后得到的固有模态函数进行分段数据重构,计算前端IMF分量与后端IMF分量的能量比,并将其输入非参量检测器中进行目标检测。研究表明,相比于海杂波单元,目标单元尖峰区域有更小的前后端IMF分量能量比,适用于慢速目标的检测。     

Numerical investigation on flow field characteristics of dual synthetic cold/hot jets using POD and DMD methods

In order to improve the control ability of synthetic jets in compressible boundary layer, a novel control method based on dual synthetic cold/hot jets coupled control of velocity profile and temperature profile was proposed. As fundamental investigations on the effects of synthetic jet temperature on the jet behavior and flow field characteristics were essentially necessary, preliminary numerical simulations were conducted to study the influence of temperature (200 K and 400 K) on the flow field characteristics of synthetic jets using Large Eddy Simulations (LES) model. Time-averaged flow fields showed that different temperatures led to variable behavior of two strands of jets. For dual synthetic cold jets, a potential-core arose apparently with its height ranging from 0.01 to 0.03 m, while for dual synthetic hot jets, two strands of jets emerged downstream. The modal decomposition of instantaneous flow fields had been done using both Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Dynamic Mode Decomposition (DMD). Various modes showed different characteristics of the flow fields. As the POD method focuses on the energy of flow while the DMD method focuses on the frequency, the first two modes had many similarities, but the third and fourth modes demonstrated completely different vortex structures. The current researches play a role of preliminary investigations for further and comprehensive exploration of novel flow control measures in global velocity field.     

圆周进气对流掺混流动研究

为了研究纯径向向心涡轮出口对流撞击掺混流动组织结构,采用大涡模拟对圆周进气的对流掺混流动进行了数值仿真,并用本征正交分解(POD)方法,提取和分析了不同阶模态下的流动结构。结果表明:在水平截面,底部中心形成一个滞止区,两侧壁面附近均存在一个回流区,且流动是近似对称的;在剪切力作用下,沿流动方向,旋涡结构的不稳定性增强,上游三维涡环结构逐渐拉伸、膨胀,破裂为复杂的涡辫或发卡涡结构,这增强了掺混,从而使得流体间的动量和能量交换增强;POD结果中第1阶模态所占的能量权重最高,表明脉动场中的大部分能量主要集中在此模态,此模态中的流动结构为主要流动结构。     

圆盘绕流近尾迹实验研究

采用烟线和PIV实验研究Re=22400时直径与厚度比D／H=5圆盘近尾迹（x／D〈5）流场结构。流向平面烟线显示表明圆盘尾迹有稳定的回流区和随机扭曲倾斜的三维涡旋结构。对烟线平面PIV测速数据统计平均,发现该回流区具有较好的对称性,且长度为2．1D。对PIV数据进行POD重构,发现流向雷诺正应力和切应力峰值出现在回流区两侧剪切层,横向雷诺正应力峰值出现在回流区驻点附近,其正是烟线显示涡旋结构脱落区域。圆盘尾迹涡旋结构的产生和脱落源于剪切层的不稳定性及其与回流区的相互作用。圆盘尾迹前两个模态含能仅为10．9％和10．2％,表明湍流结构的随机性;前10个模态含能45．9％可较好描述流场的平均雷诺切应力。     

圆自由射流多尺度涡结构迁移特性的实验研究

在流场背景湍流度比较大或流场中涡结构的尺度范围比较宽的情况下，为了研究湍流场中不同尺度涡结构的迁移速度，用IFA300双通道恒温热线风速计和两个热线探针测量圆自由射流中心线上距离一定的空间两点同一时刻的流向速度分量，用子波分析提取了每一个探针输出的不同尺度的脉动速度信号，计算了两个探针输出的同一尺度脉动速度信号的互相关函数，利用互相关函数达到最大值对应的延迟时间研究了湍流多尺度涡结构的迁移特性。实验结果表明：不同尺度涡结构具有不同的迁移速度，小尺度涡的迁移速度较大，大尺度涡的迁移速度较小。其中，一部分尺度的涡结构是湍流中的主要结构，该尺度涡结构对湍流的贡献也是主要的，其迁移速度与实验测得的湍流平均速度较为接近。     

文氏管出口张角对旋流杯流动不稳定性的影响

为探究旋流杯内流动不稳定现象,针对带不同出口张角文氏管的旋流杯冷态流场进行了大涡模拟,并结合PIV试验结果进行了验证。研究结果表明,文氏管出口张角对时均流场的影响主要在旋流杯内部区域,对下游恢复区域基本无影响;旋流杯瞬态流场中存在旋进涡核（PVC）和小涡旋结构,出口张角对PVC的运动频率和形态基本无影响,对小涡旋结构影响较大,相同Q值下,56°张角旋流杯方案的小涡旋结构更丰富;经本征正交分解方法（POD）分析,旋流杯的强脉动结构为PVC和小涡旋结构。56°张角旋流杯方案的小涡旋结构能量更强,脉动幅度较大,能更好地对燃油进行剪切破碎,有利于强化雾化效果。     

基于PaSR模型的低旋流燃烧大涡模拟

为了深入理解低旋流流场特征和燃烧稳定性,基于OpenFOAM平台,采用动态k方程模型和有限速率PaSR模型对甲烷/空气预混低旋流燃烧进行了大涡模拟,研究了气流入口速度、当量比和压力等流场参数对流场结构和燃烧非稳态特性的影响,分析了流场大尺度结构与火焰相互作用。结果表明,流场结构和火焰抬升高度受入口速度影响较小,流场和火焰形态能够保持自相似性;随着当量比和压力提高,流场扩张性增强并在燃烧区下游产生回流区,火焰稳定不依赖回流区,根部火焰锋面形状由U形转变为W形,火焰抬升高度降低。火焰锋面稳定在剪切层,剪切层产生的周期性有序涡结构引起当地流场速度脉动和火焰表面褶皱,反映了流场非稳态特性;通过剪切层监测点瞬时轴向速度分析,涡结构特征频率随速度增大而提高,由250Hz提高至300Hz,随当量比和压力提高而降低,由250Hz降低至125Hz。     

POD和DMD方法分析不同间隙压气机旋转不稳定性特性

对一台单级低速轴流压气机旋转不稳定性(RI)进行分析。在前期的旋转不稳定性特性、流场成因和不同间隙影响的研究基础上,进一步基于全通道数值模拟,采用两种流场降阶方法分析不同叶顶间隙条件下旋转不稳定性各阶模态对应的流场成分、模态能量占比和稳定性等特性。计算结果表明,前几阶模态能量占比大,对流场起主要贡献,并且稳定性相对较强。随着间隙的减小,旋转不稳定性的能量占比和稳定性下降,各阶的叶片转动成为流场的主要成分。      

淹没射流湍流场的 TR-PIV 测量及流场结构演变的 POB 分析

利用平面激光诱导荧光流动显示技术（LIF）和二维高速粒子图像测速技术（TR-PIV）对淹没射流和自由面相互作用湍流场进行了细致的测量,并利用本征正交分解方法（POD）对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构并分析其与自由面相互作用特点。射流出口雷诺数 Re ＝5600,淹没深度 H/D ＝4。LIF 实验结果表明：自由液面的存在使得射流在向下游扩散发展中存在向上运动的趋势。时均流场也表明射流上半部分扩散速率更快,在相互作用区域,最大速度位置逐渐向自由液面靠近,类似自由射流的流向湍流度双峰值分布形式随流向距离增大而逐渐消失。POD 分解得到的空间模态表明：射流中有序的相干结构在上游逐渐发展,随后迅速向上发展并与自由液面发生相互作用,在下游,由于自由液面的限制,大尺度结构又开始向下发展。