DMD和POD对超燃冲压发动机凹腔流动的稳定性分析

开式凹腔作为超燃冲压发动机中增加掺混和稳焰的装置, 其流动稳定性的研究对深入理解凹腔增加掺混和稳焰机理以及凹腔的设计有着重要的学术意义和工程应用价值.基于大涡模拟方法对超燃冲压发动机开式凹腔流动进行数值模拟, 分别采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition, DMD)和本征正交分解方法(proper orthogonal decomposition, POD)对自激振荡流动进行稳定性分析. DMD方法可准确提取凹腔的振荡频率, 与Rossiter模型以及压力脉动FFT分析得到的频率吻合较好, 且DMD中对应Rossiter前3阶频率的模态在流动中的主导作用顺序也与FFT分析结果一致, 自激振荡中RossiterⅢ模态占据主导作用, 同时DMD方法对Rossiter 3阶以上模态频率的预测能力明显强于FFT分析方法.在对低频的提取方面, DMD方法比Rossiter模型更具有优势.与前6阶Rossiter模态对应DMD模态均缓慢收敛, 主要表现为剪切层中的分离涡结构和中部及下游区域中的涡结构.前3阶不稳定模态中的分离涡结构主要集中在中部剪切层以及后缘附近区域. POD方法中较少的模态包含流场绝大部分的能量.但是, 通过POD方法提取的模态频率在分辨率上效果不佳, 提取到最低频率为Rossiter 3阶模态对应的频率, 且模态中均存在次频, 次频与主频之间的耦合导致模态的形态相差较大.另外, 与DMD方法相比POD方法无法判断所提取的模态的稳定性.      

二维圆柱绕流的动模态分析研究

运用Fluent对单/双圆柱绕流非定常流场进行数值模拟计算,分析了涡脱落的发展演变过程。采用DMD方法对圆柱绕流流场进行稳定性判断,利用分解得到的DMD模态数据对流场进行还原,并对还原流场的误差进行分析。分析结果表明:DMD方法得到的模态包含模态的频率信息;DMD方法能通过提取出来的主要结构完成对流场的还原及预测工作。对于复杂流动结构的DMD分解,所提取的数据量极大程度的影响了模态分解的结果,是能否精确还原实验流场的关键因素。     

基于大涡模拟下风力机翼型非定常转捩流动的动态模态分解分析

翼型绕翼流动对风力机整机性能产生重要影响.本文基于大涡模拟方法,得到风力机翼型非定常转捩流动.通过对压力流场的动态模态分解(DMD)分析,发现翼型层流分离泡的生成和发展为流动主要非定常特征,且该特征具有主要频率.预估得到高增长率T-S扰动波频率与DMD模态频率接近,发现高频变化的分离泡由边界层分离点下游不远处的T-S扰动波诱导K-H不稳定性而主导,以及中低频的DMD模态表现为T-S扰动波所引起的湍流结构.对比不同攻角下的DMD分解结果,发现上表面分离泡会逐渐向前移动,长度变短;而下表面分离泡略微后移,长度变化不大.     

基于POD的受激励后向台阶分离流低阶模型

在对后向台阶流场进行合成射流激励并研究不同激励频率对流场发展影响的过程中,发现流场在低频激励条件下与中高频条件下表现完全不同.为了详细分析这一现象,使用本征正交分解法（proper orthogonal decomposition,POD）将由PIV方法测得的流速分布数据进行分解,采用相位平均手段对含湍流动能较大的主要模态间的关系进行分析,并使用主要模态对流场的主要运动形式进行还原.结果表明,流场在各条件下的主要运动形式均可用少量低阶模态加以基本概括,低频激励下低阶模态相图近似于Lissajous图形,并描述了剪切层在激励作用下的摆动过程.      

基于POD方法开缝圆柱绕流流场的研究

利用粒子成像测速技术（particle image velocimetry,PIV）,在水槽中探究缝隙对圆柱流场结构的影响,应用频谱分析和本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）方法,研究了开缝圆柱流场相干结构.实验Reynolds数范围内,缝隙的"吹吸"作用从根本上改变了圆柱绕流近区尾流结构,前6阶模态形态是流场中最主要的相干结构.第1,2阶模态形态控制着圆柱绕流流场涡街相继脱落过程,1或2阶模态系数为尾迹涡的固有频率;第3,4阶模态形态控制着脱落旋涡沿流向方向能量运输;第5,6阶模态形态中的同向涡旋结构作用于旋涡缓慢脱离柱体这一过程,并对旋涡能量起着衰减作用.      

旋翼尾流时空发展二维速度场的实验研究

旋翼作为直升机的主要升力和操纵部件, 具有复杂的流场结构, 如非定常性, 桨-涡干扰和桨尖涡等, 导致旋翼流场研究十分困难. 针对这一问题, 结合锁相技术和粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)技术开展了悬停状态下旋翼流场的实验研究, 并通过本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)提取主要含能模态, 刻画流场时空演化. 结果显示, 旋翼尾流发展过程中向旋转轴靠近, 二维流场结构呈现倒三角结构, 即扩展到三维流动中会呈现倒锥型结构的特性; 通过POD进行含能模态分析, 旋翼尾流中对湍动能贡献最大的为桨叶涡结构, 其次是桨尖涡结构.      

近壁湍流的降阶模型及应用

由条带和流向涡的循环再生构成的近壁自维持过程(self-sustaining process, SSP)是壁湍流产生和维持的重要机制. 文章通过对最小槽道的直接数值模拟(direct numerical simulation, DNS)获得近壁自维持过程的流场数据, 采用正规正交分解法(proper orthogonal decomposition, POD)对该数据进行分析, 获得了不同流向和展向尺度的特征模态, 通过将Navier-Stokes方程在这些模态上进行投影, 得到近壁自维持过程的降阶模型, 并采用DNS数据对降阶模型的预测能力进行了评价. 该模型被初步应用于大涡模拟近壁模型的构造.      

采用FFT-POD的非定常流动控制频谱和能谱特性研究

对数值模拟的不同频率下非定常激励的扩压通道流场采用POD方法分析,对取得的各级模态系数进行频谱分析,对不同变量的能谱进行对比分析,研究非定常激励对流场的控制机理。分析表明:非定常信号能够强制与流场发生共振作用,低阶模态共振作用较强,随之会出现衰减现象;同时流场的"固有频率"不会被改变,只会暂时抑制或加强,流场中的"保护"机制同样如此;动能谱显示非定常激励使流场中代表大涡的2、3阶动能份额增大,同时也增大了流场的第一阶模态拟涡能份额,从而使流场小尺度脉动能量和平直流动能减少。     

弯曲扩压通道内脉冲射流位置影响的POD分析

基于一种弯曲扩压通道在不同射流位置状态下,开展了脉冲射流控制的试验及数值模拟研究,引入本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)技术以模态的方式完成了脉冲射流控制效果的分析。结果表明:随着射流位置逐渐由上游靠近分离点,各个射流位置最佳射流频率逐渐接近于通道内分离涡主频,分离点附近及下游位置最佳射流频率与通道内分离涡主频保持一致;最佳射流频率下,随着射流位置逐渐接近于分离点,分离涡模态能量在脉冲射流的作用下向平均流模态转移的比例逐渐增加,向高阶模态能量转移的比例逐渐减小;分离点位置对应着最佳射流位置,该状态下POD各阶模态能量均向平均流模态进行转移,脉冲射流控制效果最为明显。     

一种数据驱动的翼型流动转捩预测方法

研究翼型绕流的转捩预测方法,对于翼型流动细节的精确模拟和气动力的准确计算以及精细化设计均具有十分重要的意义.采用动模态分解（dynamic mode decomposition,DMD）代替线性稳定性理论（linear stability theory,LST）与eN方法结合,不需要求解稳定性方程,成为一种数据驱动的翼型边界层转捩预测新方法,称为DMD/eN方法.在原有方法的基础上,改进了DMD网格线生成方法和扰动放大N因子的积分策略,并将RANS求解器与改进的DMD/eN方法进行耦合,实现了翼型定常绕流转捩预测自动化.采用该方法对LSC72613跨声速自然层流翼型以及NLF0416低速自然层流翼型在不同攻角下的绕流进行转捩预测,转捩点计算结果均与实验值和LST/eN方法吻合良好.该方法计算得到的N值增长曲线与LST/eN方法的包络线也较为吻合,进一步验证了积分策略的正确性.改进的DMD/eN方法可作为自然层流翼型设计的新的有力工具.      

对称槽道涡波流场流动特征的POD分析

为深入分析层流状态下对称槽道内涡波流场的流动特性及其变化规律,对流场进行了二维粒子图像测速(2DPIV)测量获取瞬态速度矢量数据,利用本征正交分解(POD)技术进行模态分解以及涡波流场的重构,然后根据重构的流场对对称槽道内涡波流场进行了平均速度剖面、流场脉动强度以及特征点的速度和频谱分布等方面的分析。结果表明:POD的前15阶模态能够表征涡波流场的主导结构,第1,3阶模态主要表现为一对旋向相反的涡对特征,第2阶模态具有涡旋和波状主流的特征;提取了5个涡旋涡核的位置作为流场流动特性的特征点;根据POD重构流场分析发现流向平均速度呈抛物线形状分布,法向平均速度呈对称分布特征;流向脉动强度受壁面的影响较大,法向脉动强度呈现抛物线形状分布;距离中心主流较近的1#,4#,5#特征点的速度脉动程度受主流的脉动强度影响较大,速度的脉动主频0.15 Hz与次频、流场的自然频率0.35 Hz共同影响特征点的速度分布;2#,3#特征点的流向速度呈衰减趋势,法向速度在初期幅度变化较大。     

Visualisation and analysis of large-scale vortex structures in three-dimensional turbulent lid-driven cavity flow

In this paper, large eddy simulation (LES) of a three-dimensional turbulent lid-driven cavity (LDC) flow at Re = 10,000 has been performed using the multiple relaxation time lattice Boltzmann method. A Smagorinsky eddy viscosity model was used to represent the sub-grid scale stresses with appropriate wall damping. The prediction for the flow field was first validated by comparing the velocity profiles with previous experimental and LES studies, and then subsequently used to investigate the large-scale three-dimensional vortical structures in the LDC flow. The instantaneous three-dimensional coherent structures inside the cavity were visualised using the second invariant (Q), Δ criterion, λ₂ criterion, swirling strength (λ_ci) and streamwise vorticity. The vortex structures obtained using the different criteria in general agree well with each other. However, a cleaner visualisation of the large vortex structures was achieved with the λ_ci criterion and also when the visualisation is based on the vortex identification criteria expressed in terms of the swirling strength parameters. A major objective of the study was to perform a three-dimensional proper orthogonal decomposition (POD) on the fluctuating velocity fields. The higher energy POD modes efficiently extracted the large-scale vortical structures within the flow which were then visualised with the swirling strength criterion. Reconstruction of the instantaneous fluctuating velocity field using a finite number of POD modes indicated that the large-scale vortex structures did effectively approximate the large-scale motion. However, such a reduced order reconstruction of the flow based on the large-scale vortical structures was clearly not as effective in predicting the small-scale details of the fluctuating velocity field which relate to the turbulent transport.     

风力机翼型气动计算的降阶模型研究

将基于POD的降阶模型应用于风力机翼型的气动研究。首先应用CFD数值模拟得到一系列快照结果;应用基于本征正交分解(POD)的方法得到流场的一组基模态,认为对于所研究的问题,任一流场可以由这些基模态通过线性表达得到;对控制方程进行Galerkin投影,得到降阶模型,将离散求解N-S方程的问题转化为一组只有十几个自由度的常微分方程,从而减少计算时间,提高计算效率。并对二维翼型的绕流的定常和非定常问题进行了分析,计算结果表明,降阶模型可以较好地捕捉流动的特征,与直接CFD模拟相比计算精度相当,但大幅有效地提高了计算效率。     

点火靶驱动不对称性与表面粗糙度的模耦合模拟

使用二维辐射多群扩散流体力学程序LARED-S对点火靶内爆进行大规模数值模拟,同时考虑低阶辐射驱动不对称性和中高阶的表面粗糙度.计算结果表明：靶丸内爆流场不仅出现严重的低阶模面密度扰动,同时生成大幅度的尖钉与气泡结构;呈现明显的扰动模耦合效应,模耦合生成的扰动增长幅度与理论公式在一定时间内较好地吻合.在内爆减速阶段,扰动增长发展到强非线性阶段,模耦合效应使得扰动频谱分布变宽;同时芯部的涡流使得靶壳的尖钉弯曲,内爆流场出现明显的湍流混合现象.模耦合效应与湍流混合极大地降低了内爆性能,导致点火失败.     

Coherent structures over riblets in turbulent boundary layer studied by combining time-resolved particle image velocimetry(TRPIV),proper orthogonal decomposition(POD),and finite-time Lyapunov exponent(FTLE)

Time-resolved particle image velocimetry(TRPIV) experiments are performed to investigate the coherent structure's performance of riblets in a turbulent boundary layer(TBL) at a friction Reynolds number of 185. To visualize the energetic large-scale coherent structures(CSs) over a smooth surface and riblets, the proper orthogonal decomposition(POD) and finite-time Lyapunov exponent(FTLE) are used to identify the CSs in the TBL. Spatial-temporal correlation is implemented to obtain the characters and transport properties of typical CSs in the FTLE fields. The results demonstrate that the generic flow structures, such as hairpin-like vortices, are also observed in the boundary layer flow over the riblets, consistent with its smooth counterpart. Low-order POD modes are more sensitive to the riblets in comparison with the high-order ones,and the wall-normal movement of the most energy-containing structures are suppressed over riblets. The spatial correlation analysis of the FTLE fields indicates that the evolution process of the hairpin vortex over riblets are inhibited. An apparent decrease of the convection velocity over riblets is noted, which is believed to reduce the ejection/sweep motions associated with high shear stress from the viscous sublayer. These reductions exhibit inhibition of momentum transfer among the structures near the wall in the TBL flows.     

应用分离涡模型计算斜圆柱孔气膜冷却

分离涡模型(DES,Detached eddy simulation)兼有雷诺时均湍流模型计算量较小和大涡模拟计算精度高的优点。本文利用DES对平板单斜圆柱孔的气膜冷却进行了数值模拟,并将结果同RANS湍流模型的计算结果以及实验数据相比较,表明DES能有效弥补RANS湍流模型在计算三维不均匀非定常湍流场的不足,更接近实际地反映了气膜冷却中的流动和换热的本质规律。     

基于混合光模式阵列的自由空间编码通信

光学涡旋的产生、传输与应用是当前光学领域的研究热点之一.光学涡旋具有轨道角动量,作为一种全新的自由度,丰富了目前光通信的方式.利用面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息技术,基于空间光调制器,用单束激光直接产生混合光模式阵列进行编码通信.采用由单光涡和复合光涡构成的4种易于识别的模式组成2×2混合光模式阵列,进行灰度图像的编码传输.在接收端提取混合光模式阵列图的信息并进行解码,实现零误码的灰度图像再现.以传输一幅Lena图像为例,使用2×2混合光模式阵列进行编码通信,相对于传统单光涡编码通信,其信息容量可增加4倍.该方法光路简单易行,可扩展性强,进一步拓展使用4×4混合光模式阵列进行编码通信,信息容量提升16倍.提出的混合光模式阵列编码通信方法对于提高信息传输容量具有重要价值.