竖直平板间自然对流大尺度相干结构的POD分析

POD方法是研究湍流相干结构的有效手段。将该方法应用于竖直平板间自然对流的问题,考虑到流场的热耦合性,采取了速度场与温度场相关联的POD分析。研究表明,该流场具有显著的结构性,流场中的主要含能流动形态为大尺度螺旋涡与纵向涡结构。用POD分析方法,得到广义“能量”在各模态间的分布,发现其分布有比较明显的收敛性。通过POD方法重构流场,可以用较少的模态捕捉到该流场的主要信息。

槽道内涡波流场的POD分析

对槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场进行了2DPIV测量实验,将2DPIV测量的矢量场数据进行POD分析,根据POD分解的各阶模态的能量比确定了表征涡波流场主导结构的前15阶模态。结果表明,POD分解的前15阶模态发现槽道内涡波流场是由槽道壁面剪切层诱导的涡列以及伴随的波状主流组成;流场中大尺度的涡旋发展为涡对,对波状主流的脉动频率产生影响;根据涡波流场中的驻点和鞍点,获取了流场的大尺度涡对、平均流场以及Helmholtz涡环等明显特征;最后根据POD分解的前15阶模态对槽道内涡波流场进行重组,重组流场表征了槽道内层流状态下波状主流的形态和涡旋共存的涡波结构以及驻点和鞍点的位置处涡旋的变化等主要特征,有效地剔除了PIV测量流场中的随机信息,保留了PIV测量流场的主导特征。

不同间距比下错列双平板绕流流场的PIV测量与POD分析

运用粒子成像测速技术(PIV),在水洞中对亚临界雷诺数ReD=1×104时错列双平板绕流进行了测量,探索平板间距对绕流流场结构的影响。应用本征正交分解(POD)方法对绕流流场结构进行模态分解,提取流场相干结构。结果表明:前4阶模态形态是流场中最主要的相干结构;流向间距T与法向间距H对错列平板绕流流场结构影响显著,随着平板间间距变化,错列平板绕流可分为间隙射流干涉、剪切层和尾流共同干涉、剪切层干涉3种模式。流向间距T/D=0、法向间距H/D=1时,平板间出现很强间隙射流结构,受间隙射流影响,上游平板剪切层与下游平板下表面剪切层包络混合,形成类似“单钝体”流动结构。

低旋流数旋进射流流场结构演变的POD分析

利用粒子图像测速技术(PIV)对雷诺数Re=4.5×10^(4)的低旋流数旋进射流流场进行了实验测量,并利用本征正交分解(POD)方法对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构。针对3种不同旋流数(S=0、0.26和0.41),对比分析了POD分解得到的空间模态以及用POD模态重构后的脉动速度场的变化规律。POD分析得到的结果表明:旋进导致流体交替地从腔体一侧沿着壁面流出,从另一侧流入;旋进刚发生时,上游剪切层内的旋涡结构尚未完全破坏,它们会一直向下游发展直至旋进起始点附近后,开始随着主流一起偏转,而下游剪切层内的大尺度结构被完全破坏;随着旋流数的增加,旋进以及射流的自身振荡被加强,从而导致流场结构更加复杂、大尺度旋涡结构被破坏。

磁力搅拌湍流场的PIV测量及流场演变的POD分析

为了解磁力搅拌过程湍流特性,对其开展了激光粒子图像测速(PIV)试验,并进行了本征正交分解(POD)分析。分析表明,在测量平面转子外部区域,除平均流动,含能量较高的流动结构为循环剪切流和转子旋转的尾涡结构。在搅拌槽底部具有较高的旋涡强度,有利于固体颗粒悬浮。流体与转子之间的流-固耦合作用使转子产生振荡,随转速升高,系统稳定性下降,平均流动含能降低,小尺度结构含能增加,涡流扩散增强,有利于混合和反应进行。

CH_4/H_2/N_2射流火焰的大涡模拟和POD分析

使用大涡模拟加稳态火焰面模型、火焰面/反应进度模型对CH_4/H_2/N_2湍流射流扩散火焰进行了模拟,通过与实验数据的详细比较对火焰面模型进行了检验。结果表明,两种火焰面模型计算得到的低阶矩与实验值都符合得较好,后者对二阶矩捕捉更准确;小组分(NO,OH)分布与实验结果都有较大偏差,直接求解小组分输运方程可得到较好结果。最后用POD技术对流场进行分解与重构,可以发现前5阶模态即占有总能量的60%左右,且中心射流区域集中了各尺度的湍流相干结构。

基于实验数据的湍流扩散POD模态分析

采用粒子成像测速(PIV)和激光诱导荧光(LIF)技术同时测量了水平通道中湍流扩散过程的流速和荧光剂浓度的瞬时分布,并利用实验数据,通过本征正交分解(POD)模态分析方法,实现了湍流条件下荧光剂扩散过程中浓度分布的数值重构。该方法应用于瞬时浓度分布的特征分析中,得到了瞬时分布的各阶模态,并分析各阶模态空间分布特征及其所含能量。结果表明,浓度分布在距离荧光剂入口较近的区域具有较强的周期性,且低阶POD模态能量占主导地位。应用POD分析得到的模态可以较准确地重构距离荧光剂入口较近区域的浓度分布的基本特征,相对误差主要集中于距离荧光剂入口较远的区域,表明本文提出的基于POD模态分析的湍流条件下浓度场的数值重构更适用于周期性较强的系统,为预测未知时刻的湍流扩散浓度分布提供了基础。

激波-多涡列-声场相互作用及其POD分析

采用5阶WENO格式,通过数值求解二维非定常欧拉方程,模拟了激波与四涡组成的涡列的相互作用过程.通过研究马赫数为1.05的激波与强度为0.25的多涡列相互作用,进一步揭示了激波-涡列相互作用的动力学特性以及声波的产生过程.

弹性悬挂弯扭耦合颤振模型表面压力分布的时空特性及颤振机理分析

实际应用中,桥梁颤振稳定性可用风洞试验的结果作为评估标准,但颤振时断面的压力空间分布特征是不清楚的。本文对弹性悬挂的刚体模型在颤振时及固定时(来流风速与颤振风速一致)的表面压力进行采样,首先分析模型在颤振时的表面各部分压力特性,结果显示,右部压力相位相当于左部具有滞后性,表明是受迎风侧特征紊流影响的被动区域。随后运用本征正交分解(POD)方法分析模型表面压力分布特征与颤振发散性运动之间的关系,结果显示,所获得的本征模态中存在与颤振扭转发散运动关联极强的'主导颤振模态',该模态对总升力矩系数波动的贡献占绝对主导地位,其主坐标频率与颤振频率一致且具有与振动位移一致的发散性,但其归一化空间分布特征在断面颤振过程中不变化。结合模型在固定时的本征模态分析结果,除颤振主导模态外,其余模态均能在固定时的本征模态中找到类似空间分布的模态,且与断面发散性运动的关联性很小。本文工作为今后颤振机理分析提供了一个新的思路与方法。

基于POD方法的高超声速边界层转捩判定方法

高超声速边界层转捩是高超声速飞行器设计的关键基础问题之一.为了研究高超声速边界层转捩,在风洞中,对平板模型进行了M=5的实验,在模型中心沿流动方向使用PCB脉动压力传感器对脉动压力时间序列进行采集.文章将本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法引入高超声速脉动压力数据处理中,发展了单点POD分析方法.经验证,使用该方法重构数据的均方根(root mean square,RMS)峰值位置可表征转捩位置,实用性强.

主动Gurney襟翼提升VAWT动态气动性能的数值研究

基于孤立翼尾缘Gurney襟翼增升机理,在垂直轴风力机上安装主动Gurney襟翼,随VAWT叶片旋转方位主动调整襟翼高度,在上风面伸出翼型表面并在下风面缩回翼型内部,增大风力机叶片在上风面的扭矩输出以及垂直轴风力机功率系数。通过二维CFD数值模拟,研究多个叶尖速比工况条件下垂直轴风力机的性能,制定主动Gurney襟翼的控制策略。结果表明,应用主动Gurney襟翼,在全工况范围内VAWT的功率系数得到不同程度的提升。在最大功率系数(λ=1.75)时,主动Gurney襟翼风力机的功率系数提高5.14%。最后,应用POD分析VAWT的尾迹结构,指出5阶以上模态的小尺度脉动结构是能量损耗的主要原因。主动Gurney襟翼可降低高阶模态下的小尺度脉动强度,减少在能量捕捉和转换过程中的流动损失。

典型钝体断面颤振时压力分布特性

本论文通过对典型钝体断面模型颤振和固定时以及加稳定板模型颤振时进行表面压力分布测试。首先分析典型钝体断面模型颤振时表面各部分压力波动特性,然后运用本征正交分解(POD)方法分析典型钝体断面模型颤振时表面压力分布特性,最后将原断面模型颤振时压力分布和固定时压力分布进行对比分析。

双曲面钢桁架冷却塔风致效应参数研究

为研究钢结构冷却塔的抗风性能,以某超大型空间双曲面钢桁架冷却塔待建工程为研究对象,依据风洞试验实测了脉动风荷载数据,利用POD算法生成作用在冷却塔有限元计算模型上的风压时程,通过瞬态动力分析得到冷却塔位移响应,对比不同位置振动频率参与情况,获得了位移风振系数分布结果,并比较了结构阻尼比和质量分布对冷却塔风致行为的影响。研究结果表明：钢结构冷却塔1-4阶固有模态风振位移占主导地位,其中,位移风振系数沿环向在迎风侧（0°-40°）取值较小,介于1.70-2.12;在侧风向（40°-180°）取值较大,介于1.97-3.01;沿子午向位移风振系数随高度的增加而增大。结构总体风振系数随着阻尼比增量呈现递减趋势,随质量增量呈现递增趋势,位移风振系数分布形态相对固定。