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以DMD方法为工具的超声速尾迹流动态特性研究

动态特性，DMD, 超声速尾迹流

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随着超声速飞行器的发展，超声速尾迹流在很长一段时间被许多学者研究。为了研究超声速尾迹流的频谱特性、结构特性及振荡机理，一个数值研究就此开展。LES方法被用来获得一段时间内的流场参数， DMD方法则被用来分析这些流场参数。从速度场的DMD频谱中在f=48082Hz附近可以观测到一个单独的、占主导地位的峰值，对应的Strouhal数为0.4, 基于St=f*d/U∞,其中f是频率，d是楔子的底部高度，U∞是自由流的速度。St数是描述周期性流动的一个重要的参数。Behrens报道了一个雷诺数为55700，马赫数为4的超声速尾迹流中St数为0.42. 由Bearman给出了St数与Re数的关系式，在类似的雷诺数值附近圆柱绕流的St数为0.46. Achenbach的研究则表明在Re数为106附近St数为0.5.
对应于St数0.4的DMD模态也被提取出来，并对其X和Y分量进行了分析。DMD模态的X分量的云图由两组反对称的、二维、涡类似的结构组成，结构的尺寸是逐渐增加的。Y分量的云图则由一组对称的、二维、涡类似的结构组成， 其中分量的正值和负值交替出现。同样Y分量中，结构尺寸也是逐渐增大的。
为了探索超声速尾迹流的振动机理，对楔子的底部区域的回流区的动态特性进行了研究。采用速度场的DMD分析特别地这一区域进行了研究。DMD的频谱中，可以观测到一个对应于St=0.2的主导频率，还可以观测到一个对应于St=0.4的二次谐波，但是它的强度要比主导频率低两个量级。对应于St=0.2和St=0.4的两个模态都是三维结构。回流区的不稳定使得由楔子后缘分离的剪切层受到扰动，从而最终导致了楔子尾迹区流动的振荡。