基于稀疏增强动力学模态分解的风力机尾流模型研究

基于稀疏增强动力学模态分解(SPDMD)方法对风力机尾流大涡模拟(LES)结果开展降阶模型研究,并将分解结果与标准DMD方法进行比较。结果表明,动力学模态分解方法能提取尾流动态特征,揭示风力机尾流演化规律。标准DMD方法倾向于选择具有小尺度和高频率的模态,而SPDMD方法选择具有低频率的大尺度流动特征。相比于标准DMD方法,SPDMD方法在低维子空间上建立风力机非定常尾流场的降阶模型,以较少的模态数目重构和预测风力机尾流场,可提高计算效率。

基于动力学模态分解的方柱绕流非定常流场分析

具有方形断面的结构或构件广泛应用于实际工程中,针对方柱绕流风荷载和风致振动特性开展研究至关重要。方柱绕流的尾流效应往往涉及多种复杂流动现象,捕捉其流动主要模态对深入分析流场特性以及流动控制具有重要意义。该文基于动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)方法建立了能够提取流场主要模态并进行流场重构的降阶模型。基于数值模拟获取非定常流场快照;利用DMD进行主要模态提取;基于提取的主要模态对非定常流场进行重构。结果表明:DMD方法提取的前4阶模态能够准确重构原始流场,为流动控制和结构设计提供参考。

低雷诺数下两类柱体绕流的动力学模态分解

随着计算流体力学的迅速发展,基于特征提取技术的模态分解法已广泛应用于非定常流场的时空演化规律及流场机理研究。采用动力学模态分解法(dynamic mode decomposition,DMD),在雷诺数为100的条件下,分析了单方柱和单圆柱尾流卡门涡街发展的过渡阶段和稳定阶段的动力学特性,分别提取了两阶段两类柱体周围涡量场的子模态,分析并对比了各模态的频率及增长率,并进行了流场重构。结果表明:在过渡阶段,两类柱体的流场存在相同的内在结构—静态模态、卡门涡脱落模态、类卡门涡脱落模态、漂移模态和双倍频模态。其中静态模态代表了平均流场,卡门涡脱落模态及类卡门涡脱落模态分别对应2个阶段的卡门涡结构;此外,漂移模态的提取则体现了过渡阶段流场均值随时间的变化情况。在稳定阶段,DMD提取了稳定卡门涡街阶段的主要涡脱结构及其高次谐波模态,各模态均为周期性模态且增长率极小,随着频率的增大,模态相应的振幅及相干结构的尺度都减小。对比2个阶段的DMD结果发现,圆柱流场的主要结构在空间分布上更加接近背风面,其近尾流处的旋涡动态发展更加强烈。在重构相同精度的流场时,两类柱体皆在过渡阶段所需的DMD模态数更多,误差在空间分布上略有不同。

动力学模态分解和本征正交分解对圆柱绕流稳定性的分析

对雷诺数Re=100下的圆柱绕流非定常流场进行数值模拟,分别采用DMD方法和POD方法对圆柱绕流卡门涡街发展过程中的不稳定平衡阶段、过渡阶段以及稳定极限环阶段进行稳定性分析。分析结果表明:DMD方法准确地提取了不稳定平衡阶段和过渡阶段中的不稳定模态以及频率,在稳定极限环阶段准确提取了脱落涡模态及其高阶谐波模态和频率。DMD方法不仅可以高效提取主要流场结构模态和频率,且可分析相应模态的稳定性,从而得到动力学系统在时间和空间上的主要特征。POD方法中较少的模态包含流场绝大部分的能量,通过对模态系数进行FFT分析,可得到模态频率,但有时会存在多个频率耦合的模态,且POD方法无法判断所提取模态的稳定性,因此,POD方法主要得到的是动力学系统在空间上的主要特征。另外,DMD方法对流动类型范围的适用性更广。因此,在对复杂动力学系统进行稳定性分析时,DMD方法更具有优势。

压气机叶栅叶顶间隙流的动力学模态分解

为了研究低速孤立压气机叶栅叶顶间隙流的非定常运动型态,采用大涡模拟(LES)技术对流场进行数值模拟,并运用动力学模态分解(DMD)技术对x/c=1.0677弦长处S3截面叶顶二次流速度场进行模态分析。结果表明:动力学模态分解(DMD)能够得到速度场的定常模态和不同频率下的主要振荡特征。同时揭示了频率为f1=824.9Hz的一阶振荡主要表现为泄漏涡的低频周期性生成与退化;而频率为f2=9807.2Hz的二阶振荡是由叶顶移动端壁形成剪切层内的不稳定造成的,主要表现为泄漏涡的振荡与分裂。

方柱/板结合部马蹄涡流动结构的动力学模态分解

方柱/板结合部区域的马蹄涡系统存在多频流动现象.为了研究各频率所对应的振荡规律及其潜在的动力学信息,对方柱/板结合部处于周期振荡流动状态的马蹄涡系流动结构进行数值模拟,发现处于周期振荡流动状态的马蹄涡系为倍频流动现象.运用动力学模态分解(DMD)技术对方柱体上游对称面上的速度场进行模态分解,将所得到的第1、2、3阶模态分别叠加到平均流模态进行模态重构并在时域上进行推进演化分析.结果表明:周期振荡马蹄涡系以不同尺度马蹄涡间的相互卷并为主,发现了马蹄涡间不同的卷并方式.

基于动力学模态分解法的绕水翼非定常空化流场演化分析

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率.为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于Schnerr-Sauer空化模型和SST k-ω湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析.通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性.并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征.结果表明,第一阶模态对应频率为0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的2倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为.第四阶模态对应频率约为第二阶模态的3倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为.最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.

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。

并列双圆柱绕流的动力学模态分解

本文对双圆柱绕流的卡门涡街现象进行了非稳态数值仿真,使用动力学模态分解方法(dynamic mode de⁃composition,DMD)对仿真得到的圆柱绕流涡量数据进行了分析和流场预测,研究了不同奇异值截断阶数对预测效果的影响。结果表明:利用DMD方法可以较准确地获得非稳态流动过程中涡量数据的模态结构和对应模态的频率、振幅;与稳定的周期阶段相比,用DMD方法分析处于不稳定周期阶段的圆柱绕流流场特征较困难;增加截断的奇异值数目在完善流场特征的同时也可能造成流场还原效果变差。

动力学模态分解方法重构及预测流场误差分析

利用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法可以实现非定常流场的分解、重构和预测,但该方法重构和预测流场的误差需要给出定量分析.鉴于此,提出了定量描述动力学模态分解重构和预测流场的误差分析方法,以雷诺数Re=80的圆柱绕流二维流场数值模拟结果为例,研究了非线性流动和周期性流场重构和预测误差的动态变化情况.结果表明:依据能量大小确定的模态反映了流场的主要相干结构;低频、低增长/衰减率和大尺度的相干结构能量占比大,对流场的影响较大;DMD方法可以准确重构非线性和周期性变化流场,重构的误差小于10^-10,预测流场的误差较重构流场出现跳跃增大现象;DMD方法预测非线性变化流场的误差在样本时间区间内较小(小于10^-3),超出样本区间误差的发展急剧增大,变化情况依赖于数据样本;预测周期性流场的误差稳定在10^-4左右.

基于动力学模态分解的大跨度平屋盖风压场研究

采用经过嵌入维数改进的动力学模态分解(DMD)方法和本征正交分解(POD)方法对大跨度平屋面的随机风压场进行分析。结果表明:利用Takens嵌入定理来增加原始快照矩阵的空间维数,能够挖掘风洞试验数据集中隐藏的模糊动态特征;POD和DMD的模态分布均能够反映脉动压力场典型漩涡的主要特征,但POD的每个模态包含多个频率的信息,这在一定程度上让POD的模态成为多个频率段脉动的耦合,而DMD方法分解模态是单频模态并且可以得到每个模态的稳定性。相同比例的POD模态所占的能量比例大于DMD模态结果,但当使用相同比例的模态进行脉动风压场重构时,DMD方法比POD方法的重构结果更能够描述和契合原始脉动压力场的局部特征,这是由于DMD方法是直接对压力场进行重建,而POD方法主要是重建能量场,因此在揭示随机风压场时空演化特征,DMD方法更具优势。

基于动力学模态分解的200 hPa急流模态特征分析

提出基于动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)的大气运动数据分析方法,目的是改进对大气运动特征的认识。首先,采用DMD方法对200 hPa急流运动流场进行模态分析,从中得到了急流天气系统运动变化过程中的主要模态和对应频率以及模态随时间衰减/增长等信息。这些模态是对流场演化特征的低维描述,反映了蕴含在流场中的动力学特征,可用于实现高维复杂流场的低维近似表示。其次,建立了200 hPa急流运动流场演化的动力学降阶模型,能够重构和预测急流运动流场的动态发展过程。结果表明:通过对前6阶主要模态所包含的流场信息进行对比分析,DMD方法成功捕捉到了200 hPa急流运动流场不同尺度的流动结构,直观地显示了不同频率流场之间的差别,表明了DMD方法在对复杂大气动力学系统进行模态分解时的优势。通过不同时刻,模态叠加的重构流场与真实流场的直观比较,表明DMD方法只由前面6阶模态就能基本包含原始流场的流动信息,从而实现流场的准确重构。

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。

顶盖驱动方舱流的动力学模态分解

为了研究顶盖驱动方舱流动的非定常流场结构,采用二维直接数值模拟(DNS)对流场进行计算,并运用动力学模态分解(DMD)进行模态分析。结果表明,当雷诺数为9 000时,流场表现出自持振荡的特征;动力学模态分解获得了基频和各阶倍频谐波下的速度场模态。揭示了由于剪切层不稳定和扰动反馈所引起的周向排列漩涡是导致流场产生自持振荡现象的主要原因;同时,嵌入大尺度漩涡中的小尺度扰动使得自持振荡存在倍频谐波。

基于动力学模态分解法的轴流压气机叶顶非定常流动分析

对跨声速轴流压气机转子进行非定常数值模拟,采用动力学模态分解法对叶顶区域的非定常流动进行模态分析,进一步认识叶顶区域流场的非定常流动机理。研究发现:动力学模态分解法捕捉到叶顶区域非定常流场的特征频率6.83kHz,对应模态是形成叶顶区域流场非定常波动的主要模态。各阶模态中低阶模态结构主要集中在叶片前缘,表征大尺度的压力波动;高阶模态结构为集中在叶片压力面的正负交替结构,表征小尺度高频的压力脉动,是对流场信息的细化补充。采用前5阶动力学模态重构的流场能够包含叶顶区域非定常流场的主要流动信息与结构,可以实现对流场的降维处理。通过第1阶动力学模态重构的流场发现在近失速工况下叶顶区域的非稳定流动激发了压气机进口处周向传播的谐波扰动,谐波扰动与叶片振动的相互作用和反馈,强化了叶顶区域的非稳定流动,是产生流动不稳定性的原因之一。

文丘里管空化流动的试验研究及动力学模态分解

已有空化研究侧重于空泡形态、漩涡脱落和压力脉动等方面,尚未开展空化流场动力学模态的研究。通过试验测量、数值模拟和动力学模态相结合,对文丘里管空化流动的流动结构及模态进行研究。试验测量获得文丘里管空化流动时空演变规律,得到空泡脱落周期为0.019 5 s.数值模拟采用质量输运空化模型,得到空泡脱落周期为0.02 s,与试验吻合较好,验证了数值模拟方法的准确性和可靠性。非定常流场表明,空泡与旋涡存在相互作用,反向射流引起了空泡脱落。应用动力学模态分解方法获得空化流场的动力学模态,结果表明四个主导模态频率与空化脱落频率存在倍数关系,频率较大的模态尺度较小。平均流场模态结果发现文丘里管喉部存在反向射流,其他三个模态揭示了空化发展和脱落的结构特征,并发现空化云向下游运动过程中对周围流体存在卷携作用。动力学模态分解能够准确捕捉空化流动中的主要动力学特征。

同心旋流分层预混火焰的动力学模态分析

为了探究同心旋流分层火焰的不稳定燃烧问题,需要对火焰的动态脉动特性进行分析。采用高速摄像捕捉了自激和外激条件下同心旋流分层预混火焰的CH*化学发光动态图像,利用动力学模态分解(DMD)方法研究其主导脉动模态,提取出了相关模态的空间形态和脉动幅值,证明燃烧组织方式的改变会对火焰脉动的形态和规律产生影响。研究发现:模态分解可以反映分层旋流火焰的动态响应特征,并能解析脉动空间结构,验证火焰形态和外激频率对火焰动态响应的影响,其规律和火焰传递函数结果符合,且在分层比0.5~2内提高分层比使释热中心转移到预燃级和主燃级的剪切层内,300Hz^400Hz释热脉动将加强。验证了DMD方法适用于处理分析复杂分层旋流火焰的脉动特征,可为燃烧振荡控制提供参考。

基于高阶动力学模态分解和本征正交分解方法的受扰建筑表面随机风压场研究

受扰建筑表面风压场是一个复杂、随机的高维动态系统,依据风压分布难以完全呈现和复刻其流动机理。为此,基于刚性模型测压风洞试验,采用本征正交分解(POD)方法和高阶动力学模态分解(HODMD)方法,对串列布置干扰下的方形高层建筑表面随机风压场进行分解与重构。结果表明:上游建筑对下游受扰建筑迎风面风压的影响主要是遮挡作用,使得下游建筑迎风面出现负压区,受扰建筑两个侧风面最小平均风压系数出现在靠近迎风面的边缘区域,且随着距上游建筑距离增加,遮挡效应减弱,串列布置对下游建筑背风面风压的影响不大;通过POD方法分析可知,3倍迎风宽度是串列布置的临界间隙,当受扰建筑位于施扰建筑后方3倍迎风宽度内,受扰建筑不会发生明显的漩涡脱落;POD和HODMD方法分解得到的模态均可以反映脉动风压特征,但由于风压数据的高度非线性,POD模态反映多个频率的耦合,而HODMD方法能分解出每个模态的增长率和频率,单频的HODMD模态能够捕捉到不同尺度漩涡运动作用在建筑表面形成的相干结构,模态系数的周期性变化反映湍流的能量级联,且单体和干扰间距为2、3、4倍迎风宽度的4种工况都是以低频的漩涡运动为主导,建筑的干扰使得含有高能量的低频模态增多。因此,在揭示随机风压场的流动机理方面,采用HODMD方法更准确合理。

声学激励下扩散火焰的动力学模态分析

针对扩散火焰燃烧不稳定性,使用高速摄像机获得火焰图像,通过动力学模态分解法(dynamic mode decomposition, DMD),研究钝体扰流扩散火焰,在外加声学激励下,不同频率处的空间分布特征。结果表明,无激励火焰以低于50 Hz的低频杂乱振荡为主,在15 Hz存在明显的纵向振荡模态。外加的声学激励会引起激励频率或者其半频与倍频处的纵向振荡,但不会改变其他频率的空间结构。当给予的声学激励频率或者其倍频与火焰固有的纵向模态频率相接近时会引起火焰该频率灰度值幅值的强烈响应,增强火焰的该频率下的纵向振荡模态,引起火焰的不稳定性。

基于OpenFOAM平台的钝体稳焰器尾流动力学分析

在具有高速来流的燃烧室结构中被广泛采用的钝体稳焰器主要通过尾流流场中的剪切层以及低速回流区达到稳定火焰的目的,因此有必要对尾流非稳态流场进行流体动力学分析。本文基于OpenFOAM开源计算流体力学平台对Volvo试验钝体稳焰器非稳态流场进行仿真计算,并采用Omega涡识别方法以及动力学模态分解方法对计算结果进行分析以获取流场流体动力学特性。通过与试验结果进行对比,表明采取κ-ωSST IDDES湍流模型能够获得较为详细的钝体稳焰器尾流流场结构;Omega涡识别方法能够有效识别尾流流场涡结构;采用动力学模态分解方法能够获得具有明确物理意义的流体动力学模态,对于钝体稳焰器尾流动力学研究具有重要意义。