【研究前沿】DNS方法和空间-时间POD方法研究动态失速下的空气动力学
1. 研究背景与目的
动态失速是飞行器在快速变化的攻角下经历的一种复杂流动现象，其特征是气动载荷的显著波动。这一现象在直升机旋翼空气动力学、涡轮机械、风力涡轮机以及各种尺寸的固定翼飞机等领域具有重要工程应用价值。文章通过直接数值模拟(DNS)，探究不同背景扰动水平下NACA0009翼型发生动态失速的流动特性。
2. 研究方法
研究使用了直接数值模拟技术，模拟了在两种不同背景扰动水平（Tu = 0.02% 和 Tu = 0.05%）下，NACA0009翼型在恒定攻角增加运动中的流动。模拟考虑了从干净流场到具有低幅度自由流扰动的各种情况，以研究这些扰动对动态失速起始的影响。
3. 研究结果
在较低扰动水平（Tu = 0.02%）下，模拟结果显示流动特性与无扰动文献中的模拟结果非常接近，验证了数值方法的有效性。
在较高扰动水平（Tu = 0.05%）下，流动显示出更复杂的动态特性，特别是从层流分离泡(LSB)的破裂过程中观察到强烈的瞬态旋涡脱落现象，这在以往的动态失速初期研究中尚未被充分记录。
通过集 合模拟，证明了在低幅度自由流扰动下，LSB破裂过程中的瞬态旋涡脱落是一个统计上相关的动力学特征。
4. 空间-时间POD分析
为了提取瞬态旋涡脱落的动力学特性，研究者将经典的POD方法扩展到包含时间的能量度量中，并应用于模拟数据。
通过空间-时间POD方法，研究者能够从数据中提取出与壁面剪切应力数据强相关的瞬态波列，重建了在主要动态失速涡(DSV)形成前的旋涡脱落的动力学过程。
5. 结论
研究表明，即使在低幅度的背景扰动下，涉及LSB的动态失速流动也表现出高度的敏感性。这一发现对于与实验数据的详细比较以及在此流动状态下的数值模拟具有重要意义。空间-时间POD方法为从非自治流动数据中提取相干流动特征提供了一种客观的工具，适用于实验和数值数据集。
