Connections between propulsive efficiency and wake structure via modal decomposition

唤醒 推进效率 分解 情态动词 计算机科学 机械 物理 材料科学 推进 热力学 生态学 生物 高分子化学
作者
Morgan R. Jones,Eva Kanso,Mitul Luhar
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:988 被引量:1
标识
DOI:10.1017/jfm.2024.446
摘要

We present experiments on oscillating hydrofoils undergoing combined heaving and pitching motions, paying particular attention to connections between propulsive efficiency and coherent wake features extracted using modal analysis. Time-averaged forces and particle image velocimetry measurements of the flow field downstream of the foil are presented for a Reynolds number of $Re=11\times 10^3$ and Strouhal numbers in the range $St=0.16\unicode{x2013}0.35$ . These conditions produce 2S and 2P wake patterns, as well as a near-momentumless wake structure. A triple decomposition using the optimized dynamic mode decomposition method is employed to identify dominant modal components (or coherent structures) in the wake. These structures can be connected to wake instabilities predicted using spatial stability analyses. Examining the modal components of the wake provides insightful explanations into the transition from drag to thrust production, and conditions that lead to peak propulsive efficiency. In particular, we find modes that correspond to the primary vortex development in the wakes. Other modal components capture elements of bluff body shedding at Strouhal numbers below the optimum for peak propulsive efficiency and characteristics of separation for Strouhal numbers higher than the optimum.
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