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基于动力学模态分解的柔性膜翼增升机理研究

航空学报 2024年

作者：胡仕林陈柄宙康伟西北工业大学航天学院

柔性薄膜翼型在低雷诺数范围内能够利用气动弹性效应自适应改善机翼表面气流分布，这种特性为智能飞行器气动与控制设计提供了新的思路。本文将柔性薄膜材料直接应用到翼型的设计中，对不同攻角状态与柔性长度下的柔性膜翼进行了流固耦... 详细信息

柔性薄膜翼型在低雷诺数范围内能够利用气动弹性效应自适应改善机翼表面气流分布，这种特性为智能飞行器气动与控制设计提供了新的思路。本文将柔性薄膜材料直接应用到翼型的设计中，对不同攻角状态与柔性长度下的柔性膜翼进行了流固耦合仿真，并采用动力学模态分解方法对膜翼流场进行模态分析。研究结果表明当流场一阶DMD模态与柔性结构一阶振动模态发生锁频时，柔性膜翼相对刚性翼型才会表现出增升效应。柔性膜翼在攻角为16°时增升21.74%，流场压力模态相位结果表明这种增升效应来源于柔性结构振动产生的压力波对流场剪切层的能量反馈；柔性长度为0.65倍弦长的膜翼增升为14.22%，该构型下的膜翼表面能够产生具有较大压力相位梯度的右行压力波，使得表面气流最大限度地获得来自结构振动反馈的能量，其增升效应远大于其余柔性长度下的膜翼构型。所提方法与研究结论为主动流动控制提供了重要的理论支撑。

关键词：柔性膜翼动力学模态分解增升效应能量反馈流动控制

基于动力学模态分解的大跨度平屋盖风压场研究

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工程力学 2022年第7期39卷 109-119页

作者：冯帅谢壮宁华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室广东广州510641

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... 详细信息

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。

关键词：大跨度平屋盖风洞试验随机风压场动力学模态分解本征正交分解

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

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西北工业大学学报 2017年第4期35卷 599-607页

作者：叶坤武洁叶正寅屈展西北工业大学航空学院陕西西安710072

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... 详细信息

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。

关键词：动力学模态分解本征正交分解圆柱绕流卡门涡街稳定性分析

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动力学模态分解及其在流体力学中的应用

空气动力学学报 2018年第2期36卷 163-179页

作者：寇家庆张伟伟西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室陕西西安710072

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... 详细信息

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。

关键词：动力学模态分解降阶模型非定常流 Koopman算子数据驱动

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动力学模态分解方法重构及预测流场误差分析

江苏大学学报（自然科学版） 2021年第2期42卷 145-152页

作者：孙国勇董加新赵志高王玉川西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室湖北武汉430072

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... 详细信息

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.

关键词：圆柱绕流动力学模态分解模态能量流场重构与预测误差分析

文丘里管空化流动的试验研究及动力学模态分解

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机械工程学报 2019年第18期55卷 173-179页

作者：韩亚东谭磊清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室

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... 详细信息

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。

关键词：文丘里管空化试验数值模拟动力学模态分解

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

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力学学报 2020年第4期52卷 1045-1054页

作者：谢庆墨陈亮张桂勇孙铁志大连理工大学船舶工程学院大连116024 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 工业装备结构分析国家重点实验室大连116024

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... 详细信息

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.

关键词：水翼非定常空化动力学模态分解流场重构

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压气机叶栅叶顶间隙流的动力学模态分解

推进技术 2018年第3期39卷 520-527页

作者：王建明王涵桂琳沈阳航空航天大学航空航天工程学部辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室辽宁沈阳110136

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... 详细信息

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。

关键词：动力学模态分解叶顶间隙流叶顶泄漏涡移动端壁

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并列双圆柱绕流的动力学模态分解

船舶力学 2021年第5期25卷 527-534页

作者：袁猛张新玉柳贡民张文平哈尔滨工程大学动力与能源工程学院哈尔滨150001

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... 详细信息

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。

关键词：圆柱绕流数值仿真动力学模态分解流场预测稳定性分析