基于本征模态修正的POD法在风场重建中的应用

POD法是风工程中常用的风场重建方法,但是在重建过程中,部分重建测点风压时程的方差与风洞试验数据相比会有140%以上的偏差。通过分析某高层建筑风洞试验的刚性模型测压试验数据,首先对结构表面风场进行POD时域分解,然后对主坐标进行频域分析,结果表明前3阶主坐标及其对应的本征模态值对重建风压时程的方差值起到91%以上的作用,其中第1阶主坐标的作用超过58%。最后以试验风压时程的方差值为目标,通过修正第1阶本征模态值,对偏差较大测点的风压场重建进行改进,使重建风场的方差值与实际风场方差值的差距缩小到10%以内。

基于本征正交分解法的缸内流场循环变动特性分析

应用本征正交分解(POD)方法对数值模拟的发动机多循环速度场数据进行分析,以深入考察发动机缸内速度场循环变动特性。结果表明,POD方法可以将速度场分为不同阶模态,能反映不同程度的流场结构。分析了不同模态对应的时间系数标准差随曲轴转角的变化情况,揭示了缸内速度场循环变动大小随发动机曲轴转角的变化的规律,即进气阶段速度场循环变动要大于压缩阶段速度场循环变动。

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。

基于本征正交分解的谱表示法模拟风场的误差

推导了本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)型谱表示法模拟所得平稳正态脉动风场的偏度误差和随机误差。从POD型谱表示法的模拟公式出发,推导了N变量风场模拟结果序列的样本均值、相关函数、功率谱函数和根方差等前二阶矩统计特征的时域估计表达式;并证明了时域估计相关函数是正态过程,功率谱函数为非正态随机过程。进一步,计算上述样本时域估计二阶矩特征的均值和根方差,即得到了POD型谱表示法模拟所得风场的各统计量时域估计的偏度误差和随机误差,并以此给出了误差计算的通式。算例中统计误差和理论误差值的对比验证了所推导的解析解。

本征正交分解法在曲面模型风场重构中的应用

大跨空间结构模型(在风洞试验中)能同步测量的测点常相对有限,需采用有效风场重构技术通过有限点同步测量结果得到全表面风压分布的动态信息.介绍了本征正交分解法在这一问题中的应用,并对基于球面及柱面壳体模型风洞试验得到的风压数据进行了比较验证.结果表明,该方法对曲面模型具有很强的适用性,能够有效地整体把握这类模型表面风压分布规律,可为大跨空间结构抗风时程分析中风荷载分析提供很好的帮助.

本征正交分解法在风电机组风场模拟中的应用

为确定风电机组气动和结构分析所需的紊流风速,采用谐波叠加法和本征正交分解法相结合的方式,运用B样条曲面插值策略准确、高效进行风电机组的风场模拟研究。风场模拟时综合考虑叶片旋转采样、"叶片-塔筒"风场相干性及平均风剖面的影响。以某1.5 MW水平轴风力机为例模拟其顺风向风速时程,其中不动点的脉动风速模拟功率谱与目标谱吻合良好,验证了模拟方法的正确性;而叶片上点由于旋转采样导致脉动风速模拟功率谱与源谱相比能量分布发生改变,在叶片旋转频率的倍数处出现尖峰。

激流丝扰动下回转体边界层流动转捩的模态特征

水下航行体首部边界层转捩会产生较强的噪声,严重影响其通信及探测性能。为探明诱发水动力噪声的主要流动结构,本文以SUBOFF缩比模型为研究对象,采用高速水洞实验及大涡模拟方法,获得激流丝扰动下的水下回转体边界层流场。研究发现:边界层内流动在激流丝下游形成分离泡,在分离泡中后部发生转捩,诱发了大量多尺度非定常涡系。采用本征正交分解方法研究了边界层转捩区流向、法向速度脉动及压力脉动的模态特征,发现流向速度脉动的主导模态是分离泡及其沿流向的破碎和下游流向涡,其中分离泡区域流向速度脉动为低于3000 Hz的复合频率,下游流向涡为低于200 Hz的低频结构。法向速度脉动与压力脉动模态特征相似,都呈现出高频、宽频脉动特征,在分离泡附近强度最大。由此推测,分离泡及其破碎是边界层转捩的主要诱因,其诱发的法向速度脉动是产生高/宽频噪声的主要原因,流向速度脉动仅与低频噪声有关。

整体正交多项式法识别模态参数的改进

Richardson正交多项式法识别动力学参数已得到广泛应用 ,但其识别结果不是最小方差估计 ,且算法运算量大。研究提出了通过引入误差权函数来降低估计方差 ,对分子和分母采用相同的正交多项式基函数来降低算法复杂性和运算量的一种新算法。无噪声算例的估计结果验证了该算法的可行性 ;有噪声算例的识别结果表明 ,引入误差权函数可显著提高识别精度 ;权函数可通过迭代确定 ,采用原点导纳的虚部可降低迭代次数 。

集中阻尼弦初值问题的解析复模态叠加法

实际工程中常用黏滞阻尼器对斜拉索进行减振,然而基于阻尼拉索系统模态叠加法求解系统动力时程问题的研究还很少。研究设置集中黏性阻尼器的拉索在任意给定初始条件下的自由振动问题,提出采用解析复模态叠加法进行求解的思路。给出系统复模态正交性条件,并提出利用正交性条件确定复模态叠加系数的思路。通过三个数值算例,验证了方法的正确性和高效性。该文计算结果表明,对于集中阻尼弦初值问题,一般只需利用系统的前数阶模态进行叠加即可得到理想的结果。

本征正交分解用于屋盖风振分析的模态截断准则

提出一种基于节点方差比用于风力场重建的模态截断准则。所定义的方差比刻画了各个节点上的脉动风力方差的近似程度。方差比的收敛速度不仅取决于本征特征值而且取决于节点的位置。另外,提出以方差补偿技术改善风致响应计算精度。根据风洞试验和高频压力积分技术得到的风荷载,应用所提出的模态截断准则和方差补充技术重建了一球壳屋盖的风力场,讨论了新的模态截断准则在确定屋盖结构风致响应中的有效性。

对模态参数识别的整体正交多项式分段拟合的处理方法

在整体正交多项式识别法的基础上,介绍了在分段拟合中消除段外模态影响的方法。通过对拟合频段外的低阶和高 阶模态的分析和处理,提出了用邻近拟合段前后两个频段中的模态来修正频响数据,并建立了曲线拟合模型。将本文的方法识 别结果与不考虑段外模态影响的方法以及局部识别法识别结果进行了比较,结果表明本文的方法具有较好的计算精度。

基于本征正交分解的并列双圆柱绕流尾流场分析

并列双圆柱绕流尾流场流动复杂,在不同的间距下会呈现多种复杂尾迹模式。基于有限体积方法,针对低Reynolds数Re=200下不同间距并列二维双圆柱绕流流动开展了数值模拟研究,并采用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)法对仿真得到的尾流场进行模态对比分析。分析结果表明:间距g=1.5 m时,上下两圆柱间干扰较弱,尾迹呈现周期性同步同向模式;间距g=0.35 m时,上下两圆柱间干扰较强,流动现象较为复杂,尾迹呈现交替翻转模式,流场不再具有明显周期性规律。同时POD方法能得到尾流流动在空间上的主要分布特征,较少的模态包含流场的绝大部分能量,且间距g=1.5 m的尾流模态结构较间距g=0.35 m的模态结构更加紧凑有序,这和不同间距g下的尾流流动形态密切相关。

POD算法在飞机RAT舱温度预测中的应用研究

冲压空气涡轮(RAT)系统是飞机的应急发电系统,在飞机失去主交流电源后为飞机供电,RAT平时回收在非气密区的RAT舱内,在应急工况下释放到气流中。RAT舱温度很大程度上决定了RAT的释放时间,进而影响飞机在应急工况下的安全性,RAT舱的温度预测对于应急供电下的安全性具有重要意义。通过本征正交分解(POD)将RAT舱温度与高度、大气静温、飞行速度、RAT舱周围舱温度作为模型整体进行统一分析,并通过RAT舱温度简化模型及简化模型与完整模型的映射关系,选取试验数据作为样本数据,利用POD算法进行RAT舱温度预测。结果表明:1阶模态占据所有模态的比重超过99%,归一化处理后预测结果的平均绝对误差最小可达到0.063,均方根误差最小达到0.07;POD算法可以在样本数据基础上,通过模态重构有效预测RAT舱的温度信息。

基于深度置信网络模型改进的数据中心温度场本征正交分解预测模型

本征正交分解(POD)是数据中心温度场降阶重构的一种常用模型,常规基于插值法获取模态系数的POD模型泛化能力较差。本文通过建立基于深度学习的深度置信网络模型(DBN),对POD模态系数计算方法进行了改进,提高泛化状态下POD模型预测温度场分布的准确性。研究结果表明,基于DBN改进后的POD模型(POD-DBN)的泛化能力大幅提高。与插值法获取模态系数的POD模型相比,POD-DBN模型在泛化状态下的平均相对误差下降至3%以内,平均绝对误差下降至0.5℃以内。利用POD-DBN模型,可以为数据中心空调系统的控制提供快速准确的温度场预测。

基于优化本征正交分解法的复杂屋盖风压场预测

为了提高屋盖表面风压数据密度,通过有限测点的风压特征信息准确预测未布置测点的风压信息。风洞试验中,复杂的屋盖结构可以同时引入测点面积和脉动风压自根方差参量,采用优化本征正交分解法(POD法),提高识别精度。利用优化的POD法,在此基础上插值预测节点处的荷载本征模态值,从而进一步获得预测节点处的风压时间序列。对预测节点处实测风压与预测风压的均值、根方差误差进行比较分析,预测的风压均值误差最大达到8%,根方误差最大达到15.8%,同时分别在时域和频域范围内对实测风压与预测风压的时程曲线和功率谱进行比较,可知该方法能较好地对未布置测点的节点风荷载进行有效预测。

基于本征正交分解和动态模态分解的尾涡激振现象瞬态过程的模态分析

尾涡激振是气动弹性领域的一种常见现象,在上游尾迹的气动激励下会导致流场中结构的强迫振动,该现象会危及被激励结构的完整性和疲劳寿命.本文使用圆柱/叶片的近似模型研究尾涡激振问题.该模型中的圆柱位于上游均匀来流,能够产生特定频率的卡门涡街;叶片位于流场下游,受到圆柱尾迹所施加的持续脉动激励,产生强迫振动.针对尾涡激励的近似模型,通过基于Fluent的二维数值计算,模拟了上游圆柱的脱落涡以及叶片从固定到以本身自然频率振动的瞬态过程,从而提供了流场变化过程的详细信息.基于非定常瞬态结果,采用本征正交分解(POD)和动态模态分解(DMD)分析方法,通过分解与重构叶片附近流场的压力场,提取模态频率及其变化过程,得到了尾涡激振现象的主要流动特征.通过对比两种模态分析结果发现,POD重构在残差处理方面有较大的优势,而DMD在单一频率模态的提取以及变化情况的分析方面更有优势.

基于本征正交分解的缸内流场仿真校核方法探究

由于直喷式发动机缸内流场具有高湍流和循环变动等特性,因此,发动机三维模型的流场校核显得尤为重要。基于某光学发动机,利用高速粒子图像测速,对发动机缸内流场进行采集,同时利用大涡模拟对其进行三维建模仿真计算,将试验结果用于发动机模型的校核。并基于本征正交分解的方法,提取主要模态,分别从模态和能量的角度,全面对流场进行校核。在校核的基础上,分析了发动机的特征模态和循环变动。通过分析主要模态能量系数的波动,阐述包含大部分能量的流场和局部小涡团上分别的特征差异,提出了基于模态相关性系数的缸内流场仿真校核方法,通过相关性系数体现试验和仿真的主要流场模态占混合本征正交分解的流场模态的权重,进而显示了试验和仿真结果的客观差异,对流场校核的全面性进行了补充。

DMD和POD方法对跨声速压气机非定常流场的模态分析

基于时间精确求解法对跨声速轴流式压气机转子NASA Rotor35的三维非定常数值模拟,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)对近失速工况下转子叶尖流场进行模态分析。分析结果表明:DMD方法可以准确提取叶尖流场非定常波动的主要模态结构和较多的高阶谐波模态,且可以判断模态是否具有稳定性;能直接得到模态对应的频率,与压力脉动频谱分析得到的频率吻合。POD方法可以高效提取流场中的主要流动结构,较少的POD模态就占据了流场的主要能量,模态的能量比衰减的很快。通过对POD模态系数进行频谱分析,可以得到对应的频率,但单个模态存在多个频率耦合的现象,且POD方法无法判断所提取模态的稳定性以及对低频模态的分辨提取。1阶DMD模态和POD模态结构一样,反映了时均流动结构;2阶DMD模态和POD模态结构一样,存在相位差,显示了转子周向行波;高阶模态进一步细化补充了流场信息。DMD方法分析跨声速压气机转子叶尖复杂流动更具有优势。

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。

基于本征正交分解的子结构化模型降阶方法

为获得高性能的多组件连接结构件,需要利用优化设计方法确定组件间连接的最优位置。使用降阶模型(ROM)可以大幅降低计算成本,满足优化过程中多次重分析的需要。将Craig-Bampton(CB)方法与本征正交分解(POD)结合,利用POD构造参数变化组件的缩减基函数集合,通过组件的本征正交模态(POMs)获得子结构的降阶变换矩阵,结合动态子结构装配技术,获得整体结构的降阶模型(PCB-ROM)。算例验证结果表明,PCB-ROM的计算效率大大优于传统的CB-ROM,并且能够正确反映子结构参数变化导致的整个结构力学特性的变化,具有良好的计算精度和适用性,可以替代复杂的有限元模型,用于优化设计。