基于POD方法的合成雙射流流場模態(tài)分析
發(fā)布時間:2021-08-30 05:23
為更深入地了解合成雙射流自身的流場特性,開展了PIV實驗研究,分析了一個周期內(nèi)流場渦結(jié)構(gòu)的演化特征,對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了本征正交分解(POD)模態(tài)分析,詳細(xì)分析了各階模態(tài)所表征的流動結(jié)構(gòu)、時間系數(shù)及其頻譜特征。結(jié)果表明,合成雙射流激勵器的兩個腔體交替壓縮形成兩股相位差180°、相互卷積吸引的旋渦對,能量效率和工作頻率倍增;前四階POD模態(tài)占據(jù)了流場80.5%的能量,對應(yīng)的時間系數(shù)的頻率分別為激勵器的工作頻率和二階諧頻;POD前兩階橫向模態(tài)呈對稱分布,后兩階呈反對稱分布;而前兩階流向模態(tài)則呈反對稱分布,后兩階呈對稱分布,反映了合成雙射流流場的對稱性特征。
【文章來源】:空氣動力學(xué)學(xué)報. 2020,38(06)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】:8 頁
【部分圖文】:
合成雙射流激勵器示意圖與實物圖
PIV系統(tǒng)主要由激光器、同步控制器、CCD相機圖像采集卡和系統(tǒng)軟件等組成,如圖2所示[9]。PIV的基本原理是,向流場中均勻播撒粒子,激光器在極短的時間間隔Δt內(nèi)兩次照亮觀測區(qū)域,利用粒子對激光的散射作用,獲取粒子在兩次片光照亮?xí)r的位置信息,同時采用同步發(fā)生器對相機進(jìn)行協(xié)同工作,獲取兩幀流場圖像,采用自相關(guān)算法求得粒子在Δt時間間隔內(nèi)的位移量,進(jìn)而求得粒子的速度。由于粒子具有很好的跟隨性,且時間間隔Δt極短,則認(rèn)為得到的粒子速度就是粒子的瞬時速度,也即流場的速度。本文實驗中采用平均粒徑小于5μm的煙作為示蹤粒子,前人已開展相關(guān)實驗驗證其具有良好的跟隨性[10]。實驗所用PIV系統(tǒng)由200mJ的雙腔激光器、導(dǎo)光臂、24mmF/2.8鏡頭、分辨率為2456pixel×2058pixel的CCD相機、同步發(fā)生器等組成。激光器的工作頻率為10 Hz,對應(yīng)的CCD相機的拍攝頻率也為10Hz,查問區(qū)域的尺寸為32pixel×32pixel,重疊區(qū)域尺寸為16pixel×16pixel。粒子的固有計算位移誤差為±0.1pixel,圖像與流場之間的放大系數(shù)為0.0964,粒子的位移誤差約為0.01 mm,而跨幀時間為15μs,則對應(yīng)的速度測量不確定度≤0.7m/s。
將激勵器的一個工作周期等分為250個相位點,利用PIV的鎖相控制技術(shù)對每個相位點流場進(jìn)行測試,記錄24對相關(guān)圖像,采集了6000個流場樣本,并通過相位平均得到相應(yīng)各相位的流場結(jié)果。通過比對6000個流場樣本與采用相位平均方法得到的250個相位平均樣本,發(fā)現(xiàn)得到的POD分解模態(tài)特征基本一致,因此采用250個等時間間隔的流場流向速度和橫向速度數(shù)據(jù)進(jìn)行POD模態(tài)分解分析。圖4給出了POD分解各階模態(tài)對湍動能的累積貢獻(xiàn)率,從圖中可以看出,第一階模態(tài)的能量貢獻(xiàn)率占據(jù)大約41%的能量,前兩階累計達(dá)到了72.7%,前四階的累積貢獻(xiàn)率為80.5%,占據(jù)了大部分的能量,第五階模態(tài)以后的各階模態(tài)貢獻(xiàn)率均較低,表明前四階模態(tài)所表征的是流場中的主要流動結(jié)構(gòu),湍流結(jié)構(gòu)的尺度較大,而高階模態(tài)展現(xiàn)的是更為破碎的小尺度渦結(jié)構(gòu)。圖4 POD模態(tài)累積貢獻(xiàn)率
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[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]水下合成雙射流流場特性與推力特性實驗研究[J]. 彭磊,羅振兵,鄧雄,楊升科. 空氣動力學(xué)學(xué)報. 2017(02)
[3]合成雙射流及其流動控制技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 羅振兵,夏智勛,鄧雄,王林,李玉杰,馬瑤,王俊偉,彭磊,蔣浩,楊升科,楊瑞. 空氣動力學(xué)學(xué)報. 2017(02)
[4]聲學(xué)整流效應(yīng)的新現(xiàn)象[J]. 明曉,戴昌暉,史勝熙. 力學(xué)學(xué)報. 1992(01)
本文編號:3372151
【文章來源】:空氣動力學(xué)學(xué)報. 2020,38(06)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】:8 頁
【部分圖文】:
合成雙射流激勵器示意圖與實物圖
PIV系統(tǒng)主要由激光器、同步控制器、CCD相機圖像采集卡和系統(tǒng)軟件等組成,如圖2所示[9]。PIV的基本原理是,向流場中均勻播撒粒子,激光器在極短的時間間隔Δt內(nèi)兩次照亮觀測區(qū)域,利用粒子對激光的散射作用,獲取粒子在兩次片光照亮?xí)r的位置信息,同時采用同步發(fā)生器對相機進(jìn)行協(xié)同工作,獲取兩幀流場圖像,采用自相關(guān)算法求得粒子在Δt時間間隔內(nèi)的位移量,進(jìn)而求得粒子的速度。由于粒子具有很好的跟隨性,且時間間隔Δt極短,則認(rèn)為得到的粒子速度就是粒子的瞬時速度,也即流場的速度。本文實驗中采用平均粒徑小于5μm的煙作為示蹤粒子,前人已開展相關(guān)實驗驗證其具有良好的跟隨性[10]。實驗所用PIV系統(tǒng)由200mJ的雙腔激光器、導(dǎo)光臂、24mmF/2.8鏡頭、分辨率為2456pixel×2058pixel的CCD相機、同步發(fā)生器等組成。激光器的工作頻率為10 Hz,對應(yīng)的CCD相機的拍攝頻率也為10Hz,查問區(qū)域的尺寸為32pixel×32pixel,重疊區(qū)域尺寸為16pixel×16pixel。粒子的固有計算位移誤差為±0.1pixel,圖像與流場之間的放大系數(shù)為0.0964,粒子的位移誤差約為0.01 mm,而跨幀時間為15μs,則對應(yīng)的速度測量不確定度≤0.7m/s。
將激勵器的一個工作周期等分為250個相位點,利用PIV的鎖相控制技術(shù)對每個相位點流場進(jìn)行測試,記錄24對相關(guān)圖像,采集了6000個流場樣本,并通過相位平均得到相應(yīng)各相位的流場結(jié)果。通過比對6000個流場樣本與采用相位平均方法得到的250個相位平均樣本,發(fā)現(xiàn)得到的POD分解模態(tài)特征基本一致,因此采用250個等時間間隔的流場流向速度和橫向速度數(shù)據(jù)進(jìn)行POD模態(tài)分解分析。圖4給出了POD分解各階模態(tài)對湍動能的累積貢獻(xiàn)率,從圖中可以看出,第一階模態(tài)的能量貢獻(xiàn)率占據(jù)大約41%的能量,前兩階累計達(dá)到了72.7%,前四階的累積貢獻(xiàn)率為80.5%,占據(jù)了大部分的能量,第五階模態(tài)以后的各階模態(tài)貢獻(xiàn)率均較低,表明前四階模態(tài)所表征的是流場中的主要流動結(jié)構(gòu),湍流結(jié)構(gòu)的尺度較大,而高階模態(tài)展現(xiàn)的是更為破碎的小尺度渦結(jié)構(gòu)。圖4 POD模態(tài)累積貢獻(xiàn)率
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[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]水下合成雙射流流場特性與推力特性實驗研究[J]. 彭磊,羅振兵,鄧雄,楊升科. 空氣動力學(xué)學(xué)報. 2017(02)
[3]合成雙射流及其流動控制技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 羅振兵,夏智勛,鄧雄,王林,李玉杰,馬瑤,王俊偉,彭磊,蔣浩,楊升科,楊瑞. 空氣動力學(xué)學(xué)報. 2017(02)
[4]聲學(xué)整流效應(yīng)的新現(xiàn)象[J]. 明曉,戴昌暉,史勝熙. 力學(xué)學(xué)報. 1992(01)
本文編號:3372151
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