基于频率加权的后缘拍动变体机翼流场模态分解

doi:10.7527/S1000-6893.2024.29846

流体力学与飞行力学

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基于频率加权的后缘拍动变体机翼流场模态分解

张伟¹^,², 聂旭涛², 欧李苇², 夏智勋¹, 陈磊¹()

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000

收稿日期:2023-11-07 修回日期:2023-12-11 接受日期:2024-02-01 出版日期:2024-09-25 发布日期:2024-02-23
通讯作者: 陈磊 E-mail:chenl@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52305518)

Frequency⁃weighted dynamic mode decomposition for trailing edge flapping airfoil flow

Wei ZHANG¹^,², Xutao NIE², Liwei OU², Zhixun XIA¹, Lei CHEN¹()

^1.College of Aerospace Science and Engineer，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2023-11-07 Revised:2023-12-11 Accepted:2024-02-01 Online:2024-09-25 Published:2024-02-23
Contact: Lei CHEN E-mail:chenl@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52305518)

摘要/Abstract

摘要：

变体机翼是提高飞行器机动性能、高升低阻，满足复杂多变工况的重要解决途径之一，探索机翼变形对流场的影响机制是变形控制的基础。针对后缘拍动的柔性变体机翼，为准确分析拍动影响机制，提出了频率加权排序的动力学模态分解方法。针对不同工况下数值模拟结果或试验数据，开展了频率加权法同常规初始值、模态范数排序方法的对比。结果显示频率加权法得到的2阶模态频率与拍动频率吻合，表明该方法能准确体现机翼后缘周期性拍动对流场结构影响，反映机翼变形对尾迹的破碎作用。在相同重构模态数量下，拍动频率为300.0 Hz时，基于数值模拟数据，频率加权法、初始值法、模态范数法重构的速度场误差分别为0.39%、0.58%、3.25%，基于粒子图像测速设备（PIV）试验数据的误差分别为7.56%、8.77%、10.56%，表明频率加权法误差最小，能较好用于主动拍动变体机翼的物理场分析及后续反馈控制。

关键词: 变体机翼, 动力学模态分解, 频率加权, 拍动, 重构

Abstract:

Morphing airfoil is one of the essential solutions to improving the aircraft maneuverability performance， high lift and low drag， and to meeting variable flight conditions. Exploring the mechanism of the wing deformation influence on the flow is the precondition of control. A frequency-weighted ordering approach of dynamic mode decomposition is proposed to analyze the influence mechanism of trailing-edge flapping of a morphing airfoil. The frequency-weighted method is compared with conventional ones， such as the initial value method and the norm method， in terms of the numerical simulation results and experimental data under different working conditions. The second modal frequencies obtained by the frequency-weighted method match the flapping frequencies， indicating its ability to reveal the influence of the periodical flapping on the inner flow structure and wake. Based on the numerical simulation data， with the same number of reconstructed modes and a flapping frequency of 300.0 Hz， the errors of the frequency-weighted， initial value， and norm methods are 0.39%， 0.58%， and 3.25%， respectively. Based on the PIV test data， the errors become 7.56%， 8.77%， and 10.56%. The frequency-weighted method has the smallest error and can be better used for the flow analysis and subsequent feedback control of active flapping morphing wings.

Key words: morphing airfoil, dynamic mode decomposition, frequency-weighted, flapping, reconstructio

中图分类号:

V224

张伟, 聂旭涛, 欧李苇, 夏智勋, 陈磊. 基于频率加权的后缘拍动变体机翼流场模态分解[J]. 航空学报, 2024, 45(18): 129846.

Wei ZHANG, Xutao NIE, Liwei OU, Zhixun XIA, Lei CHEN. Frequency⁃weighted dynamic mode decomposition for trailing edge flapping airfoil flow[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(18): 129846.

图/表 23

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参考文献 50

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

模态序号	模态频率/Hz
模态序号	模态范数法	初始值法	频率加权法
2阶	222.2	222.2	37.0
4阶	172.8	938.3	395.1
6阶	395.1	395.1	234.6
8阶	37.0	172.8	49.4
10阶	234.6	234.6	74.1

模态序号	模态频率/Hz
模态序号	模态范数法	初始值法	频率加权法
2阶	296.3	345.7	296.3
4阶	345.7	1 395.1	604.9
6阶	604.9	2 481.5	284.0
8阶	1 395.1	2 370.4	308.6
10阶	2 493.8	1 395.1	901.2

f_f /Hz	重构数量	误差/%
f_f /Hz	重构数量	初始值法	模态范数法	频率加权法
0	66	7.58	6.98	5.49
37.5	58	6.56	6.02	4.94
300.0	8	3.25	0.58	0.39

模态序号	模态频率/Hz
模态序号	模态范数法	初始值法	频率加权法
2阶	140.1	1 461.5	35.0
4阶	205.2	1 301.3	40.0
6阶	120.1	2 047.1	50.0
8阶	35.0	2 437.4	10.0
10阶	445.5	1 846.9	130.1

模态序号	模态频率/Hz
模态序号	模态范数法	初始值法	频率加权法
2阶	65.1	2 492.5	300.3
4阶	250.3	415.4	295.3
6阶	155.2	215.2	290.3
8阶	305.3	265.3	305.3
10阶	415.4	265.3	315.3

基于频率加权的后缘拍动变体机翼流场模态分解

Frequency⁃weighted dynamic mode decomposition for trailing edge flapping airfoil flow

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f_f /Hz	重构数量	误差/%
f_f /Hz	重构数量	初始值法	模态范数法	频率加权法
37.5	100	11.35	13.68	9.91
37.5	351	9.25	9.96	9.00
300.0	100	10.56	8.77	7.56

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