基于POD方法的合成双射流流场模态分析
发布时间：2021-08-30 05:23
为更深入地了解合成双射流自身的流场特性,开展了PIV实验研究,分析了一个周期内流场涡结构的演化特征,对实验数据进行了本征正交分解（POD）模态分析,详细分析了各阶模态所表征的流动结构、时间系数及其频谱特征。结果表明,合成双射流激励器的两个腔体交替压缩形成两股相位差180°、相互卷积吸引的旋涡对,能量效率和工作频率倍增;前四阶POD模态占据了流场80.5%的能量,对应的时间系数的频率分别为激励器的工作频率和二阶谐频;POD前两阶横向模态呈对称分布,后两阶呈反对称分布;而前两阶流向模态则呈反对称分布,后两阶呈对称分布,反映了合成双射流流场的对称性特征。
【文章来源】：空气动力学学报. 2020,38(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
合成双射流激励器示意图与实物图
PIV系统主要由激光器、同步控制器、CCD相机图像采集卡和系统软件等组成，如图2所示[9]。PIV的基本原理是，向流场中均匀播撒粒子，激光器在极短的时间间隔Δt内两次照亮观测区域，利用粒子对激光的散射作用，获取粒子在两次片光照亮时的位置信息，同时采用同步发生器对相机进行协同工作，获取两帧流场图像，采用自相关算法求得粒子在Δt时间间隔内的位移量，进而求得粒子的速度。由于粒子具有很好的跟随性，且时间间隔Δt极短，则认为得到的粒子速度就是粒子的瞬时速度，也即流场的速度。本文实验中采用平均粒径小于5μm的烟作为示踪粒子，前人已开展相关实验验证其具有良好的跟随性[10]。实验所用PIV系统由200mJ的双腔激光器、导光臂、24mmF/2.8镜头、分辨率为2456pixel×2058pixel的CCD相机、同步发生器等组成。激光器的工作频率为10 Hz，对应的CCD相机的拍摄频率也为10Hz，查问区域的尺寸为32pixel×32pixel，重叠区域尺寸为16pixel×16pixel。粒子的固有计算位移误差为±0.1pixel，图像与流场之间的放大系数为0.0964，粒子的位移误差约为0.01 mm，而跨帧时间为15μs，则对应的速度测量不确定度≤0.7m/s。
将激励器的一个工作周期等分为250个相位点，利用PIV的锁相控制技术对每个相位点流场进行测试，记录24对相关图像，采集了6000个流场样本，并通过相位平均得到相应各相位的流场结果。通过比对6000个流场样本与采用相位平均方法得到的250个相位平均样本，发现得到的POD分解模态特征基本一致，因此采用250个等时间间隔的流场流向速度和横向速度数据进行POD模态分解分析。图4给出了POD分解各阶模态对湍动能的累积贡献率，从图中可以看出，第一阶模态的能量贡献率占据大约41%的能量，前两阶累计达到了72.7%，前四阶的累积贡献率为80.5%，占据了大部分的能量，第五阶模态以后的各阶模态贡献率均较低，表明前四阶模态所表征的是流场中的主要流动结构，湍流结构的尺度较大，而高阶模态展现的是更为破碎的小尺度涡结构。图4 POD模态累积贡献率
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical investigation on flow field characteristics of dual synthetic cold/hot jets using POD and DMD methods[J]. Qiang LIU,Zhenbing LUO,Xiong DENG,Lin WANG,Yan ZHOU. Chinese Journal of Aeronautics. 2020(01)
[2]水下合成双射流流场特性与推力特性实验研究[J]. 彭磊,罗振兵,邓雄,杨升科. 空气动力学学报. 2017(02)
[3]合成双射流及其流动控制技术研究进展[J]. 罗振兵,夏智勋,邓雄,王林,李玉杰,马瑶,王俊伟,彭磊,蒋浩,杨升科,杨瑞. 空气动力学学报. 2017(02)
[4]声学整流效应的新现象[J]. 明晓,戴昌晖,史胜熙. 力学学报. 1992(01)
本文编号：3372151
【文章来源】：空气动力学学报. 2020,38(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
合成双射流激励器示意图与实物图
PIV系统主要由激光器、同步控制器、CCD相机图像采集卡和系统软件等组成，如图2所示[9]。PIV的基本原理是，向流场中均匀播撒粒子，激光器在极短的时间间隔Δt内两次照亮观测区域，利用粒子对激光的散射作用，获取粒子在两次片光照亮时的位置信息，同时采用同步发生器对相机进行协同工作，获取两帧流场图像，采用自相关算法求得粒子在Δt时间间隔内的位移量，进而求得粒子的速度。由于粒子具有很好的跟随性，且时间间隔Δt极短，则认为得到的粒子速度就是粒子的瞬时速度，也即流场的速度。本文实验中采用平均粒径小于5μm的烟作为示踪粒子，前人已开展相关实验验证其具有良好的跟随性[10]。实验所用PIV系统由200mJ的双腔激光器、导光臂、24mmF/2.8镜头、分辨率为2456pixel×2058pixel的CCD相机、同步发生器等组成。激光器的工作频率为10 Hz，对应的CCD相机的拍摄频率也为10Hz，查问区域的尺寸为32pixel×32pixel，重叠区域尺寸为16pixel×16pixel。粒子的固有计算位移误差为±0.1pixel，图像与流场之间的放大系数为0.0964，粒子的位移误差约为0.01 mm，而跨帧时间为15μs，则对应的速度测量不确定度≤0.7m/s。
将激励器的一个工作周期等分为250个相位点，利用PIV的锁相控制技术对每个相位点流场进行测试，记录24对相关图像，采集了6000个流场样本，并通过相位平均得到相应各相位的流场结果。通过比对6000个流场样本与采用相位平均方法得到的250个相位平均样本，发现得到的POD分解模态特征基本一致，因此采用250个等时间间隔的流场流向速度和横向速度数据进行POD模态分解分析。图4给出了POD分解各阶模态对湍动能的累积贡献率，从图中可以看出，第一阶模态的能量贡献率占据大约41%的能量，前两阶累计达到了72.7%，前四阶的累积贡献率为80.5%，占据了大部分的能量，第五阶模态以后的各阶模态贡献率均较低，表明前四阶模态所表征的是流场中的主要流动结构，湍流结构的尺度较大，而高阶模态展现的是更为破碎的小尺度涡结构。图4 POD模态累积贡献率
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical investigation on flow field characteristics of dual synthetic cold/hot jets using POD and DMD methods[J]. Qiang LIU,Zhenbing LUO,Xiong DENG,Lin WANG,Yan ZHOU. Chinese Journal of Aeronautics. 2020(01)
[2]水下合成双射流流场特性与推力特性实验研究[J]. 彭磊,罗振兵,邓雄,杨升科. 空气动力学学报. 2017(02)
[3]合成双射流及其流动控制技术研究进展[J]. 罗振兵,夏智勋,邓雄,王林,李玉杰,马瑶,王俊伟,彭磊,蒋浩,杨升科,杨瑞. 空气动力学学报. 2017(02)
[4]声学整流效应的新现象[J]. 明晓,戴昌晖,史胜熙. 力学学报. 1992(01)
本文编号：3372151
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