无限扫掠翼型上湍流跨音速 buffet 单元的尺度分辨模拟与数据驱动模态分析

跨音速 buffet 是冲击波/边界层相互作用的一个类别，已知其表现出自激的二维(2D)弦向冲击波振荡（St=0.05-0.1），以及三维(3D)跨向弦向流动分离/重新附着（St=0.2-0.4）。由于计算成本，目前针对跨向周期配置的尺度分辨模拟仅限于狭窄机翼，这些机翼不足以容纳低保真仿真和实验所报告的 3D buffet 单元不稳定性。在本工作中，对 AR=3 的无限扫掠机翼进行隐式大涡流动模拟（ILES）和模态分析。详细阐述了 2D 和 3D 模态对扫掠的敏感性。考察了两种流动条件，即冲击位置的最小和较大均值分离情况。对于最小分离情况，冲击动力学基本保持跨向均匀（准 2D），仅有弱且不规则的分离单元局限于机翼后缘区域，与冲击波之间相互作用可忽略不计。相比之下，增大的均值分离导致显著的 3D buffet 单元出现，其特征跨向波长为 1-1.5c。SPOD 揭示，先前在未扫掠机翼上识别的准稳态低频 3D 分离模态（St=0.02）在扫掠作用下转化为跨向传播模态，频率单调上移至中间频率（St=0.06-0.35）。2D 冲击模态对扫掠不太敏感，而 3D 模态的频率和能量内容随扫掠增大，其波长保持不变。结果表明，无限机翼上的跨音速 buffet 源于不同但共存的 2D 冲击运动与分离驱动的 3D 不稳定性的叠加，在冲击处的均值流分离被确认是主导 3D buffet 动力学出现的必要条件。