基于POD和DMD的尾涡-边界层（涡）动静干涉流动机理研究

The interaction between rotating wake vortex and boundary layer (vortex) is a common unsteady flow phenomenon in turbomachines. Deeply understanding its fluid mechanism is of great significance to improving our aerothermal design level and flow control technology. Both numerical and experimental methods are employed to investigate the plate boundary layer interrupted by upstream moving cylinder wake and wall jet. Hot-wire anemometry, TR-PIV and Fast-PSP are used synchronously to capture the velocity fluctuations, velocity flow fields and wall pressure fluctuations, respectively. The unsteady characteristics of vortex and coherent structures are obtained with cross-correlation and coherence analysis. The influence of different effects on flow field are examined, such as wake vortex passing frequency, cylinder wake width, wall jet angle and wall jet velocity. Comparisons are made between the experimental and numerical results to further disclose the variation of the flow field features. Proper orthogonal decomposition is applied to the velocity fields and pressure fluctuation fields, and the flow fields are reconstructed with conditional phase averaging, which enables the representation of the spatial-temporal characteristics of vortex and coherent structures. Furthermore, dynamic mode decomposition is carried out to disclose the instabilities of the vortex and boundary layer.

尾涡-边界层（涡）动静干涉是叶轮机械常见的非定常流动现象，深入认识其流动机理对于提高叶轮机械气动热力设计水平和流动控制技术具有重要意义。本课题采用数值模拟和实验相结合的手段，对运动圆柱尾迹和壁面射流共同作用下的平板边界层流场进行研究。通过热线风速仪、TR-PIV和Fast-PSP同步测量获得特征点处的速度脉动、特征平面内的速度场和平板壁面压力场，结合互相关分析和相干谱分析，获得旋涡和相干结构的非定常运动特征。研究将分别考察上游尾涡通过频率、尾迹宽度、射流出射角和出流速度等因素对流场结构的影响，同时与数值模拟得到的流场进行对比分析，揭示流场特性参数的变化规律。对TR-PIV和Fast-PSP测量获得的速度场和压力场分别进行POD分解，结合条件相位平均技术对流场进行重构，再现旋涡和边界层相干结构的时空演化规律，揭示旋涡和边界层的相互作用机理。通过DMD分解，揭示旋涡和边界层流场的不稳定特性。

尾涡-边界层（涡）动静干涉是叶轮机械领域常见的非定常流动现象。例如在燃气轮机透平中，上游叶片的尾缘脱落涡在运动到下游叶栅通道后，对叶栅表面边界层及叶栅端区边界层和端区冷气射流的流场结构产生重要影响，从而影响到燃气轮机的气动和传热性能。因此，深入认识尾涡-边界层（涡）动静干涉的流动机理对于提高叶轮机械气动热力设计水平和流动控制技术具有重要意义。.本课题首先采用大涡模拟方法，对运动圆柱尾迹影响下的叶栅边界层流场和壁面射流流场进行研究，考察了上游尾涡通过频率、尾迹宽度、射流出射角和出流速度等因素对流场结构的影响，同时与实验结果进行对比分析，并结合流场的POD分解，再现旋涡和边界层相干结构的时空演化规律，揭示旋涡和边界层的相互作用机理和流场特征参数的变化规律。在低雷诺数下，上游叶片尾迹触发下游叶片表面边界层的转捩，起到抑制边界层分离的作用；上游叶片尾迹同时也与端壁气膜冷却射流气体相互作用，端壁表面温度的均匀性和脉动幅值受到影响。相关研究结果对燃气轮机涡轮气动设计和气冷涡轮冷却设计具有一定的参考价值。.针对燃气轮机上游叶片尾缘劈缝射流脱落的大尺度旋涡结构对下游叶片边界层流动的影响，本课题开展了两方面的工作：一是通过实验与非定常数值模拟方法，对叶片简化尾缘劈缝射流模型尾迹进行了细致研究，分析了旋涡空间结构、演化输运特性以及尾迹时均和脉动特性随射流/主流速比的变化规律；二是采用定常S-A模型数值计算跨音速叶栅导叶，对比分析在不同出口马赫数条件时有无劈缝射流及不同射流压比时叶栅内波系结构、尾迹形态和气动性能的变化规律。揭示了尾迹、激波等非定常因素对叶栅边界层流动的影响，对工程设计具有积极的参考价值。.相关研究成果发表在多个期刊和学术会议上，其中国际SCI期刊论文3篇，国内学术期刊论文6篇，国内学术会议论文1篇, 以及国际学术会议论文2篇。