双吸泵作液力透平叶轮内非定常流动DMD分析

为了精确分析双吸泵作液力透平叶轮内的非定常流动特性,采用SST k-ω湍流模型在设计工况下进行数值模拟。对一个周期的非定常速度场进行动态模态分解(DMD),并结合Q准则,得到前4阶主要模态及其相应的时空信息。分析结果表明:DMD方法将叶轮内复杂的流场特征分解为动静干扰模态、基本模态和耗散模态。其中动静干扰模态占主导地位,频率为叶轮旋转频率,反映出叶轮内流动受静止部件干扰的流动特征,涡结构主要为点状涡和不连续的管状涡;基本模态频率为0Hz,反映出叶片流道几何特征引起的稳态流场特征,涡结构主要为连续的管状涡;3阶及4阶模态为耗散模态,反映出叶轮内流动受静止部件干扰,在叶片上产生的流动分离及不稳定涡结构脱落的特征,以片状涡和不连续的管状涡为主。在特定频率下DMD方法可以对叶轮流场结构进行分解,能够清楚地分析双吸泵作液力透平叶轮内复杂流场的非定常特性。

风力机翼型S809绕流流动特性的POD和DMD对比分析

失速时的流动分离现象对风力机叶片的气动性能有重要影响,S809作为典型水平轴风力机翼型,在临界失速攻角下气动性能会大幅降低。基于流动特征提取的非定常流场降阶模型(reduced-order model,ROM)是进一步深入了解非定常流动的重要手段。本文通过计算流体力学方法得到轻、深失速攻角下翼型的流动特征,对时变速度场进行本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和动态模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)分析,得到轻、深失速下翼型的非定常流场信息(能量占比、模态频率等)。通过两种方法的对比,结果表明,POD和DMD方法能够准确捕捉流动过程中的非定常结构和升力主频相同的典型模态,但是POD方法由于基于能量特征,在捕捉模态时会忽略与升力主频相近但能量较小的流动结构,而基于频率特征的DMD方法能够准确获得场的演化信息(增长率、频率等)。本文研究有利于针对主频结构发展相应的流动控制方法,从而改善翼型流场情况,提高气动性能。

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.

基于DMD方法的可变形状空腔流动模态分析

空腔自激振荡现象广泛存在于航空航天领域,剧烈的压力振荡会造成空腔内部零部件的结构疲劳和破坏,因此研究空腔噪声的控制方法具有重大意义。提出一种可变形状空腔,在空腔内部安装一种曲柄滑块机构从而调整底面和后壁面的倾斜角度。通过直接数值模拟法对马赫数为0.5、低雷诺数下的可变形状空腔流动进行数值仿真。结果表明随着后壁面倾斜角度的增大,监测点处的模态声压级、总声压级均逐渐减小,表明空腔内部流场流动更加平稳,压力振荡明显减弱。此外,通过动态模态分解(DMD)方法对不同后壁面倾斜角度的可变形状空腔进行动态模态分析。研究发现所有的DMD模态均为收敛模态,且随着后壁面倾斜角度的增大,流动越趋于稳定极限环状态;主模态频率所对应的DMD模态结构不同,主要表现为正、负向大尺度结构的位置不同且随着倾斜角度的增大,结构尺度逐渐减小。

Dynamic mode decomposition and reconstruction of transient cavitating flows around a Clark-Y hydrofoil

The transient cavitating flow around the Clark-Y hydrofoil is numerically investigated by the dynamic mode decomposition with criterion.Based on the ranking dominant modes,frequencies of the first four modes are in good accordance with those obtained by fast Fourier transform.Furthermore,the cavitating flow field is reconstructed by the first four modes,and the dominant flow features are well captured with the reconstructed error below 12%when compared to the simulated flow field.This paper offers a reference for observing and reconstructing the flow fields,and gives a novel insight into the transient cavitating flow features.

地浸采铀工艺中电潜泵内流场数值模拟研究

电潜泵是我国地浸采铀工艺中实现浸出液有效提升的主要装备,但目前针对介质举升状态下电潜泵水力部件内部流场作用机制的研究较少。试验以叶轮-导叶内部结构为研究对象,应用CFD方法对介质流动特性开展非定常分析,研究了叶轮和叶轮出口段内部的压力脉动变化规律,并利用瞬态流场数据对叶轮截面压力流场进行动模态分解(DMD)与压力流场重构,揭示了介质举升状态下由动静干涉引起的压力脉动周期性变化规律与动静部件距离对动静干涉强度的影响规律。结果表明,叶片通过频率值与快速傅里叶变换(FFT)频率值基本一致。试验结果可对减少由压力脉动引发的泵体无效震动、优化电潜泵水力部件结构参数和提升系统效率提供一定理论参考。

非定常空化涡旋结构演化及压力波机制的研究

压力波机制是空化流动机制的一种,压力波的产生和传播是空化不稳定的重要来源。基于可压缩流体求解器和分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)研究了三维水翼空化流动。结果表明,压力波是由先前脱落的云空泡溃灭产生的,其传播过程会导致片状空泡的收缩和水翼表面高压力脉冲。压力波的产生会强烈扰乱涡旋的运动,水翼表面上的稳定涡旋结构被卷起,并且被小尺度涡旋结构所替代。采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法分析流场特征,压力波效应和附着片状空泡的演变占据了流场的主要能量。

振荡燃烧火焰图像处理

应用图像FFT、本征正交分解(POD)和动力学模态分解(DMD)3种方法,对在振荡燃烧环境下的火焰图像进行分解,得到火焰脉动幅值、主频以及初始相位.其中通过图像FFT方法分析图像中每一个像素灰度值时间序列,对其进行傅里叶变换,然后得到整体火焰的振荡特性.而POD和DMD方法将每一张火焰图像视为一个样本数据,以向量的形式表达,通过线性代数和矩阵分析等理论对样本数据进行分解.DMD和图像FFT两种方法得到的火焰脉动幅值和主频基本一致,可以得到单一频率(基频和各谐频)脉动特征,而POD方法无法将各种振荡频率对应的脉动结构进行分离,得到总的脉动结构.结果表明上述3种方法均可以捕捉振荡燃烧环境下火焰的主要脉动特征.

风力机翼型在大攻角流场下的动力模态分解分析

采用计算流体动力学(CFD)方法,在恒定大攻角工况下,对风力机翼型的非定常流场进行数值模拟,并采用动力模态分解(DMD)方法对其模态进行辨识,以得到非定常流场的频率和相应的主要模态.结果表明:DMD方法可用于分析非定常流场的变化过程;DMD的各阶模态描述了非定常流场的主要流动特征,流场中非定常流动主要集中在近尾迹区域;采用包含主要流动信息的前4阶模态重构的流场能够反映不同时刻的时域流场;第2阶DMD模态重构的流场可以直观地描述尾迹区域内2个方向相反的涡依次脱落并向下游传播的非定常流动特征.

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。

采用动态模式分解分形特征的局部放电模式识别

为了解决传统局部放电模式识别方法计算量大、识别速度低的问题,本文采用构造二维谱图的方法进行局部放电模式识别。首先,利用动态模式分解算法构造局部放电的二维谱图,以少于构造传统三维谱图的计算量获取局部放电缺陷信号的二维表征。然后,针对不同缺陷信号的二维谱图提取两种分形特征(分形维数和间隙度),且构造了不同缺陷信号下二维谱图的分形特征数据集。最后,对该数据集进行X均值聚类。结果表明,X均值聚类结果优于传统K均值聚类和模糊C均值聚类算法,并且相比于反向传播神经网络和支持向量机算法,本文所提模式识别方法对3种局部放电缺陷信号综合识别率高,算法运算时间短。

汽车前侧窗表面压力激励及其源分析

汽车前侧窗表面的压力激励是前侧窗区域非定常流动和气动噪声的重要体现指标.这一区域复杂的非定常流动产生更大尺度范围的涡结构,从而导致前侧窗表面复杂的非定常压力激励.本文通过基于声学扰动量方程组(APE)的混合计算气动声学(CAA)方法分别获得汽车前侧窗表面的湍流压力激励和声学压力激励.引入动力学模态分解(DMD)对前侧窗表面的压力激励进行分析,指出湍流压力激励基于频率的区域分布特征和声学压力激励辐射声场特征.讨论了湍流压力激励、声学压力激励以及不同的激励源对车内噪声的相对贡献量.DMD识别的前侧窗表面主要的湍流压力激励是由后视镜尾迹的脱落涡产生的,其特征频率为59 Hz,与试验测量结果一致,验证了湍流压力激励计算结果的有效性.通过对比前侧窗区域空间截面上相同频率的湍流压力和声学压力的DMD模态,识别出前侧窗区域主要的声源位置,一个位于后视镜基座处,由这一区域的后视镜基座涡的涡对流产生.另一个位于后视镜镜体的下缘,由这一区域的分离涡产生.后者由风洞试验中的传声器阵列识别出来,验证了声学场计算结果的有效性.

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.

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e^N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/e^N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/e^N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/e^N方法吻合良好.该方法计算得到的N值增长曲线与LST/e^N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/e^N方法可作为自然层流翼型设计的新的有力工具.

基于动态模态分解的输电杆塔松动检测

为了识别输电杆塔的松动状态,提出分段高阶动态模态分解(segment high-order dynamic mode decomposition,SHDMD)的检测方法。为减小振动耦合对检测的影响,利用三轴加速度和三轴角速度构造时间-空间矩阵,从中提取准确的方向振型作为松动特征,将时间-空间矩阵在时间维度上划分为若干子矩阵,对每个子矩阵进行空间维度扩展,避免DMD分解时得到错误结果,对扩展后的子矩阵进行DMD分解,得到不同时段的振动模态,利用稳定图筛选出不同时段共有的模态作为真实模态,提取与模态一一对应的方向振型。建立灰色关联检测模型,通过计算方向振型的几何特征关联度,识别当前松动状态。模拟杆塔试验与真实杆塔试验结果证明,所提方法能够很好地实现输电杆塔松动位置与松动程度的识别。

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.

基于动态模式分解的三端多段式架空线-电缆混合输电线路故障定位新方法

针对三端多段式架空线-电缆混合输电线路故障定位问题,提出一种基于动态模式分解算法的故障定位新方法。首先,将能够改善模态混叠的动态模式分解算法和反映瞬时能量变化的Teager能量算子相结合用于故障行波波头准确检测;将三端多段式混合线路简化为“三端线路”,给出一种基于故障初始行波到达各端测点及T节点时间差的故障分支判定条件,并根据其判定出故障支路。然后,计算故障初始行波到达该支路端点和T节点的时间差,并与故障行波由该支路各架空线和电缆的连接点传播到端点和T节点的时间差进行比较,确定故障所在的架空线路段或电缆段。最后,利用双端行波法计算故障距离。仿真结果表明,所提基于动态模式分解算法的故障定位方法可准确判断三端多段式架空线-电缆混合线路的故障支路并定位出故障位置。

离心压气机蜗壳内非定常流场的动态模态分解

对包括蜗壳的离心压气机整机模型进行了非定常数值模拟,获得不同工况下的非定常流场数据,采用动态模态分解(DMD)方法对设计工况与非稳定工况条件下蜗壳的三维非定常流场进行模态分解与重构.结果表明:在设计工况下,蜗壳内流场主要受到4.421kHz的长叶片通过频率的影响,而8.841kHz的长、短叶片通过频率的影响则受到抑制;在非稳定工况下,捕捉到了不稳定特征频率和所对应的流动模态,以及蜗壳内流场沿流向呈螺旋线型变化的速度脉动;基于频率特征的DMD方法得到了三维蜗壳模态.

动态模式分解及其在轴承早期故障诊断中的应用

滚动轴承是装备制造业中关键基础零部件,其在服役过程中的工作状态直接决定着主机产品的性能、质量和可靠性,有效的轴承早期故障监督检测技术是实现设备预防维修的重要保证。提出将动态模式分解(DMD)算法改进后应用于轴承早期故障信号的特征提取中,传感器采集得到的原始时间序列通过投影降噪后进行动态模式分解,采用软阈值法自适应地根据原始信号噪声水平得到若干单频模式,对这些模式分量进行多尺度排列熵值计算,通过阈值法筛选出原始动力学系统中的低秩成分,对其进行恢复重构后提取早期故障特征频率。在仿真信号和实测信号的试验研究中验证了提出方法的有效性。

圆弧翼型跨声速流动的动态模态分析

跨声速翼型的激波周期性自激振荡会给机翼结构带来附加的脉动载荷,从而加剧飞行器表面结构的疲劳损伤。使用动态模态分解(DMD)方法研究了跨声速下绕厚度18%的对称双圆弧翼型的压力脉动场,分析了DMD提取的各阶主模态的频率特征、压力脉动的空间分布以及压力脉动随激波振荡的时间演化过程,并使用DMD模态进行流场重构。结果表明,DMD方法能准确捕捉流场各特征频率的模态,第1阶模态是激波抖振的主频,在激波的自激振荡过程中占主导作用,前7阶模态重构的流场损失函数降低至4%以内,误差主要分布于激波间断处。