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。      

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。     

基于POD和ARMA的阵风响应预测降阶模型研究

针对阵风响应流场高效精确分析需求,基于非定常CFD数值模拟发展了一种快速流场预测的降阶模型。采用本征正交分解(POD)方法对高斯阵风激励的CFD非定常流场快照进行特征分析、并基于能量占比准则截取主要基模态来降维,采用自回归滑动平均(ARMA)方法建立各主要基模态系数的线性预测模型。采用NACA0012和DLR-F12的分析算例进行了验证,与CFD非定常计算结果对比分析表明,模型具有可靠的计算精度,适合于精确高效快速分析阵风响应,为阵风减缓设计提供技术支撑。     

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。      

NACA4412翼型低速绕流数值计算中湍流模型对比

使用Spalart-Allmaras(S-A)、SSTk-ω、Gao-Yong 3种湍流模型对NACA4412翼型低速绕流进行了数值计算,研究了尾迹流动松弛效应。对流项采用Roe格式离散,扩散项采用二阶中心格式离散,离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显示时间推进法求解。计算中对翼型尾缘流松弛效应进行了分析,比较了翼型表面压力系数、速度剖面、雷诺应力等的分布,3种湍流模型总体上能够较好地模拟NACA4412翼型低速绕流。SSTk-ω模型对流动细节及升力系数计算最好,Gao-Yong模型对翼型平均速度剖面及雷诺剪切应力分布计算最准确。     

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。     

基于本征正交分解和代理模型的高超声速气动热模型降阶研究

气动热弹性分析是高超声速飞行器设计的关键技术之一。高超声速飞行器气动热的准确快速预测是气动热弹性分析的重要前提。针对当前气动加热工程计算、数值计算和实验研究均不能很好满足设计要求的问题,采用本征正交分解(POD)与代理模型(Surrogate)技术结合的模型降阶(POD-Surrogate)方法,建立了一种快速高效的高超声速气动热降阶模型框架。针对典型高超声速三维翼面气动热预测研究结果表明:当保留的POD基模态个数大于20时,PODKriging方法和POD-RBF(Radial Basis Function)方法的降阶模型得到的翼面温度分布与计算流体力学(CFD)计算温度L∞平均误差分别达到6%和14%,相对均方根误差(NRMSE)平均误差分别达到4%和12%,继续增加POD的基模态并不能提高降阶模型的预测精度;针对高超声速机翼气动热计算,POD-Kriging方法比POD-RBF方法具有更高的精度;针对典型的高超声速三维翼面气动热预测表明:基于POD-Surrogate方法的气动热降阶模型具有较高的精度和效率。     

基于本征正交分解的叶片碰摩系统降阶方法

针对叶片碰摩响应求解问题,提出了采用本征正交分解进行动力学降阶的方法。通过对快照矩阵进行本征正交分解生成投影子空间,将系统动力学方程投影到子空间进行模型降阶,并结合数值积分方法进行了碰摩响应求解。基于降阶模型分析了不同转速及侵入量参数下的叶片碰摩响应,并与全阶模型进行了对比。结果表明:降阶模型的时域响应幅值偏差小于5%,计算效率了提升98.4%;通过改变叶片转速、侵入量参数验证了降阶模型的鲁棒性,并且发现随着转速、侵入量的增加,本征正交模态能量在低阶与高阶之间发生转移,并呈现出不同的传递规律,由转速引起的模态能量转移与结构的固有频率存在一定关系。该方法及结论可为叶片碰摩分析及故障诊断提供依据。      

基于降阶模型的气动弹性主动控制律设计

流体/结构耦合数值模拟是目前解决复杂气动弹性问题精度最高的方法。但由于计算效率比较低,模型阶数过高,不能直接用于气动弹性系统的主动控制律设计。为了对主动控制系统设计提供高效高精度状态空间模型,研究了气动弹性系统的时域正则正交分解(POD)/降阶模型(ROM)方法,并引入平衡截断(BT)技术进一步降低时域POD/ROM的阶数,从而有效克服了时域POD/ROM阶数过高的缺点。在此基础上建立了基于POD-BT/ROM的气动伺服弹性降阶方程。以AGARD445.6机翼为例,说明了时域POD/ROM建模的各个细节,并将其用于气动弹性主动控制律的设计。计算结果表明,POD/ROM具有接近计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)耦合计算的精度,同时又大大提高了计算效率约1～2个量级,是一种高精度高效率的气动弹性主动控制系统设计工具。     

贫燃预混旋流火焰的模态转换燃烧不稳定特性分析

为进一步研究燃烧室燃烧不稳定特性,通过实验对贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性模态转换现象进行了研究。在贫燃的情况下进行了甲烷-空气预混旋流燃烧实验,用动态压力传感器测量火焰场动态压力,用光电倍增管捕捉CH~*化学发光,用4kHz频率的高速摄像记录火焰图像。发现当量比渐增到0.72附近时,燃烧有明显的模态转换,压力脉动主频由264Hz突变为187Hz,脉动幅值大幅增加。采用本征正交分解法得到各模式空间分布,通过模态系数进行快速傅里叶变换(FFT)分析,得到流场时间分布特征。发现模态转换前平均火焰为喇叭形,转换后为"M"型,模态的转换与涡脱落模式有重要关系。     

失谐叶栅的受迫振动响应特性分析

采用基于计算流体力学(CFD)方法的降阶气动力模型并耦合结构运动方程,实现了存在外激励载荷时失谐叶栅受迫振动响应的快速分析。针对典型的跨声速叶栅,通过求解其位移响应幅值较系统地研究了失谐方式、失谐强度和叶片质量比对失谐叶栅受迫振动响应幅值的影响。研究表明文中刚度失谐形式可以改善叶栅振动的稳定性,同时导致系统受迫振动响应局部化程度的增加,并且受迫响应的最大振幅放大因子随失谐强度增加或者质量比降低存在先增大后减小的一个峰值,不同失谐形式则对这个峰值的大小有着明显的影响。由于该方法可高效地分析失谐叶栅受迫振动各参数对模态局部化的影响,在工程上有一定的应用价值。     

冲压发动机燃烧室超声速来流横向喷雾轨迹预测模型及动态特性分析研究

为探究超声速来流下圆柱横向射流轨迹及喷雾动态特性,在宽来流马赫数（Ma=1.50,2.02,3.09）条件下开展了不同喷嘴直径与喷注压力的煤油喷雾试验,通过纹影系统捕捉射流图像并进行外边界拟合与频谱分析。建立了考虑射流前激波效应的穿透深度预测模型,最大与平均相对误差较先前的预测模型分别下降约36%和19.1%。通过快速傅里叶变换分析,发现喷雾所受扰动以低频波为主,同时伴有时间特征较为复杂的波动。本征正交分解分析结果证明,喷雾表面同时存在高低频扰动,但低频波占据主导地位,高频波能量较低可被忽略,对应了快速傅里叶变换分析结果;低频波频率与来流有效韦伯数有关,有效韦伯数增大会使波长减小,当喷雾前端的来流速度差别较小时,频率就会增大。     

基于POD和代理模型的热气防冰性能预测方法

大型客机机翼、短舱多采用热气防冰作为主要防冰策略。为了缩短热气防冰系统优化设计周期,提出了基于本征正交分解和代理模型的防冰性能快速预测方法。采用本征正交分解对数值仿真积累的温度和溢流水快照进行特征分析,选取包含绝大部分样本特征的基模态线性拟合所有快照;基于支持向量机回归方法建立笛形管结构参数与线性拟合系数间的代理模型,实现对热气防冰蒙皮外表面温度分布和溢流水分布的快速预测。针对三维缝翼笛形管热气防冰系统开展的验证表明：该方法对防冰表面温度分布的预测效果较好,并能够较为准确地预测水滴撞击区域内的溢流水分布;建立的预测方法计算成本较数值计算方法大幅降低,对于热气防冰系统优化设计工作具有重要意义。     

基于POD-RBFN降阶模型的串列叶栅流场预测

通过传统实验或CFD 手段获取流场信息的方法往往需要耗费大量资源或时间,这在需要快速获取大量流场信息时产生的成本是无法接受的,发展比传统CFD 更快速的流场预测方法具有重要意义。采用本征正交分解（POD）方法对样本流场进行模态分解,提取流场的主导模态;而后采用径向基函数神经网络（RBFN）响应POD 基函数的系数,实现流场降阶预测模型的构建,并在模型中采用基于函数响应偏差的自适应抽样方法;通过某串列叶栅非定常流场数据对预测模型进行验证。结果表明：本文构建的POD-RBFN 混合模型可以快速准确地预测出串列叶栅的流场参数分布;与静态采样相比,本文采用的自适应采样方法在采样效率上表现出明显优势,同样重构精度所需的样本数降低了25% 左右。     

三维钝体结构风压分布与绕流特性的大涡模拟研究

针对风场作用下三维钝体结构的绕流特性与空间风压分布特性,采用大涡模型对其进行了数值模拟研究,以平均风速和脉动风速作为入口边界条件,在稳态分析的基础上对9种不同来流方向的工况进行了瞬态动力分析,再现了钝体绕流的冲撞、分离、重附着等现象,揭示了钝体绕流主、次涡循环区的形成、发展机理,提出了空间风压场分布的一般规律。研究表明:钝体绕流对流场风速剖面影响的强弱程度依次为尾流区、屋顶区、来流区,且对中心区域流场风速剖面的影响要大于两侧流场,并由中心区域向两侧逐渐减小;来流区钝体绕流特性与空间风压分布特性较屋顶区和尾流区稳定,尾流区涡旋的非对称生成、脱落对钝体左右两侧流场的冲撞、分离、重附着等具有重要的影响;来流方向与钝体呈45°或135°夹角时,对尾流风场的影响范围最小,但随着来流方向逐渐垂直于钝体,尾流影响区域也逐渐增大。     

基于本征正交分解的离心压气机多学科设计优化

为探索离心压气机多学科设计优化策略,进一步提高优化效率,建立了基于本征正交分解(POD)技术的离心压气机优化系统。首先选择样本数据生成快照矩阵,进行本征正交分解后,提取了占支配性的少数几个基函数,并以POD系数作为新的设计变量,构建了降阶的设计空间,从而大幅度减少了设计变量的个数。然后与离心压气机多学科优化流程相结合,建立了一种高效率的优化策略。为验证系统的可行性,以极大化等熵效率为目标,针对最大转速状态和巡航状态两个计算工况对压气机进行优化。结果表明:该优化策略在有效减少设计变量个数方面具有优势,从而使优化问题能够快速的收敛,优化后两个工况下的设计点等熵效率分别提高了3.5%和4%。     

基于本征正交分解和代理模型的流场预测方法

 为了实现流场的快速求解,基于本征正交分解(POD)与代理模型提出了一种全新的流场预测方法。其基本原理为:首先采用本征正交分解将一定数量的样本流场分解为同等数量的基模态流场;然后用少数包含了绝大部分样本流场特征的基模态流场拟合所有的样本流场;最后用代理模型建立起决定样本流场的输入参数与拟合系数之间的近似函数关系。针对几何外形不同的二维翼型定常流场预测结果表明:在亚声速情况下,预测误差收敛的模态数量不超过20个,继续增加模态的使用数量不能明显提高预测精度;在跨声速情况下,预测误差收敛的模态数量为26个,当使用的模态数量达到前10个时,继续增加模态的使用数量能提高绝大部分流场区域的预测精度,但同时会在激波附近引入"噪声"激波特征而降低该区域的局部预测精度。在这两种情况下,预测流场所需时间均不到高精度计算流体力学(CFD)方法的1/200。     

流-固-推进耦合下的机体/推进一体化性能分析

吸气式空天飞行器的一体化性能随扰动变化的敏感性高,在高马赫数飞行条件下,有必要开展流-固-推进耦合性能分析。针对机体/推进一体化布局的吸气式飞行器,明确一体化部件之间的耦合关系和耦合问题,利用CFD、有限元和准一维流方法,结合本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)降阶手段,建立吸气式空天飞行器流-固-推进多物理场耦合快速分析方法,并开展多场耦合特性分析。结果表明:(1)进气道压缩面的流-固耦合导致出口静压的最大振荡振幅约为平均静压的21.6%,而出口马赫数的最大振幅约为平均马赫数的8.45%。(2)进气道出口性能的振荡会影响发动机的推力性能,导致推力振荡幅值可达平均值的31%,且随着时间的推移,会在进气道外压缩流场产生大量的气动涡,涡结构进入进气道后会导致进气道出口性能的持续下降,进一步削弱了发动机的平均推力性能。