基于POD方法的弯曲扩压通道分离流控制的时空特性分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaApr．252014Vol，35No．4921—932ISSN1000-6893ON11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa，edu．CR基于POD方法的弯曲扩压通道分离流控制的时空特性分析朱剑锋，黄国平*，傅鑫，付勇南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016摘要：为了分析一种运用于压气机内分离流控制的无源脉冲射流控制技术的特点，基于弯曲扩压通道试验模型进行了脉冲射流控制的试验和数值模拟研

2、究，结果均表明当射流频率接近通道内分离涡主频时控制效果最为明显；引入了本征正交分解(POD)技术对无控状态下通道内流场结构进行分析，得到了POD各阶模态的流动结构特征。在此基础上对比分析了定常及非定常控制特点，结果表明：非定常控制方式主要是重分配各阶模态之间的能量，有选择性地强化或削弱某阶模态；定常射流控制则是整体削弱高阶模态，压制通道内复杂流动现象；合理地构建脉冲射流可使能量从高阶模态向平均流模态进行转移，能量的转移通过空间流场结构的重构和模态时间演化特性的序化实现。最后针对POD分析结果进行了验证性试验研究，试

3、验结果部分反映了时空特性的变化规律，提升了POD分析结果的可信度。关键词：本征正交分解；模态分析；非定常；流动分离；脉冲射流中图分类号：V211．1+5；V231．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)04—0921—12在航空技术领域，流动控制技术一直为人们所关注，近年来随着航空器研制的需要和流动控制技术本身的进步，人们越来越注重在各种内外流航空流体机械中发展和利用流动控制技术E11。相比于定常控制技术，非定常控制常常可以用显著低于定常控制的激励能量就能有效地抑制气流分离，是近年来最受关注的主动

4、控制技术之一。针对非定常控制的激励频率、激励强度、激励位置和激励角度等控制参数，国内外已进行了许多的研究，获得了关于这些激励参数对非定常控制效果的影响规律[2。3]。而对于非定常控制机理，德国的Nitsche等将其理解为由于脉冲射流产生的一对旋向相反的漩涡与主流分离涡之间的不同作用模式[4]，北京航空航天大学Zheng等Is-el将其归结为合理组织流场中多物体绕流之间的耦合关系。总体而言，目前对于非定常控制机理的认识还不够充分。为了达到更为精细的分析非定常控制机理的目的，考虑到非定常分离状态下流动结构的复杂性，各种

5、涡系结构相互耦合，因此有必要对流道内各种流场信息进行时空解耦，而本征正交分解(ProperOrthogonalDecomposition，POD)方法即可实现流场流态的时空解耦，可以更有针对性地分析非定常控制激励对流体结构中占主导地位的涡系结构的影响。自从1967年Lumley将POD方法引入湍流相干理论的研究以来口]，由于其降阶及特征提取特性，早期主要运用于各类简单流动现象如平板附面层[81及圆柱绕流[91特性分析。近些年来，为了分析复杂流动的隐藏特征，POD方法逐渐被越收稿日期：2013—05—21；退修日期：

6、2013—10—15；录用日期：2013-11—05；网络出版时间：2013—11—2711：21网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．201311271121．003．html基金项目：国家自然科学基金(51176072)；江苏省普通高校研究生科研创新基金(CXLXll-0216)*通讯作者．Tel．：025—84890912E-mail：hgp@nuaaedu．cn确角蓥武IZhuJF·HuangGP，FuX，etal?Spatiotemporalcharacter

7、isticsanalys『sforcontrollingflowseparationindivergentcurvedchan．nelswithPODmetho匝J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014．35(4)：921．9327朱锄锋．黄国平．傅鑫．等j基fPOD方法的弯萄扩篷逶道分离流控钢的时空特性分析[J]航空学报．2014．35(4)：921-932．航空学报Apr252014V01．35No．4来越多的复杂流动现象所使用，例如多段机翼流动分析[10]及叶轮机

8、械中涡轮转静干涉特性分析L11。。POD方法的基本特征是可以从一段时间内的流场中提取出一定数量的本征模态，采用本征模态级数展开的方式表述流场信息。由于本征模态是按照对应特征值所含流场能量的大小进行排序，因此通过捕捉一定阶数的本征模态就能很好地描述和分析流场的特性。采用POD方法可以有针对性地分析在不同控制状态下，某些具有确定流动结构的各阶模态特征的变化规律，