基于高帧速率纹影图像的激波与边界层相互作用实验研究

《Aerospace》：Experimental Study of Shock Wave Boundary Layer Interaction Using High-Frame-Rate Schlieren Images

　　

摘要

本文利用50 kHz时间分辨纹影成像技术，对马赫数3压缩坡道激发的激波/边界层相互作用（坡道角度20–30°）进行了实验研究。结合谱分析的快照正交分解（POD）在强相互作用（30°坡道）条件下表现出高精度，能够有效捕捉主导的低频非定常特征，其中提取的频率（St = 0.017–0.033）与参考数据吻合，且出现集中度达到38.6%。对于弱相互作用（20°坡道），POD能量分散在较宽频段内（St = 0.01–0.34），任一单一频率的出现概率不超过17.3%。动态模态分解（DMD）通过按频率排序模态，补充了上述结果，揭示了即使在20°条件下，低频主模态仍然存在，并伴随脚部区域的不稳定性（模态07–09）。在24°和30°条件下，DMD进一步识别出呼吸型、拍动型和分叉型运动，且振荡幅度和谱宽随坡道角度增大而增加。研究结论表明，基于纹影图像的POD是分析强相互作用的有效工具，而DMD则提供了关键的多尺度频率分辨洞见，尤其适用于弱相互作用情形，二者共同建立了经验证的数据驱动分析框架，用于非定常可压缩流动研究。