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软件X 12(2020)100604原始软件出版物VortexFitting:一种用于涡流识别的后处理流体力学工具Guilherme Lindnera, Yann Devauxb,Sanja Miskovica诺曼湾 加拿大温哥华英属哥伦比亚大学Keevil矿业工程学院bInstitutP',CNRS - Université de Poitiers - ISAE-ENSMA - UPR 3346,SP2MI - Téléport 2,11 Bvd Marie Pierre Curie,F-86962 Futuroscope Chasseneuil,Francear t i cl e i nf o文章历史记录:接收29七月2020收到修订版2020年9月28日接受2020年保留字:涡流检测方法流体动力学Pythona b st ra ctVortexFitting是用Python开发的流体力学后处理工具。它的目的是检测流动中旋涡的存在并评估其性质。从数值模拟和实验流动成像技术获得的数据可以用作输入。该软件支持多种输入文件格式,如NetCDF,HD5,TecPlot和原始文本文件。的第一阶段涡搜索过程是涡候选的识别,使用一组检测方法完成:涡流强度、Q准则、和N-S准则。候选涡,然后拟合到一个如果相关性被认为足够高在瞬态流动中,每个涡都可以被跟踪,并根据其衰减特性重建本文介绍了两种应用(i) 一个实验柱状涡通过自由表面水通道移动,和(ii)一个数值鼓泡流化床模拟我们证明了VortexFitting可以成功地识别涡流的存在,并在这两个应用程序中描述其特征©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)中找到。代码元数据当前代码版本1.0.1指向此代码版本所用存储库的永久链接:https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-20-00015法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统使用Python 3.6+的软件代码语言、工具和服务编译要求依赖性Linux/Mac/Windows scipy,numpy,netCDF 4,matplotlib链接到开发人员文档https://guilindner.github.io/VortexFitting/如有疑问,请发送支持电子邮件至lincoln. alumni.ubc.ca1. 动机和意义湍流流动是由大量的涡组成的,这些涡在时间和空间上都是相干的。虽然这些相干结构是非定常流的主要组成部分,并且重要的研究已经集中在它们的产生上,*通讯作者。电子邮件地址:alumni.ubc.ca(G. Lindner)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100604演变,与平均流量的相互作用,他们仍然没有完全理解。此外,术语相干结构和旋涡经常互换使用,人们可能会发现很难给出一个明确的定义。一般来说,任何形式的模式出现,在流动中,对流动本身有影响的结构被认为是相干结构。另一方面,涡流通常与流动中存在的一些旋转/漩涡图案相根据Shawn等人(2005)[1],相干结构的定义如下:2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softxG. Lindner,Y. Devaux和S. 米什科维奇软件X 12(2020)1006042+=(())()3的情况。¯ ±¯±()下一页¯ij=(+)‘‘It has long been recognized that flows with general time de-pendence admit emergent patterns which influence the当量其中,对于i=1,2,3,xi和u i对应于x;y;z,并且u;v;w。在示踪剂中,这些结构通常被统称为相干Dij伊苏岛=xj(一)因此,我们可以把旋涡看作是特定类型的相干结构。相干结构的检测、跟踪、可视化和分析对于解释湍流运动现象至关重要,这些知识可用于改进湍流建模和预测。然而,涡流的识别是困难的,这源于这样一个事实,即它并不总是清楚如何测量从其旋转中心的涡流的延伸。当多个相干结构相互作用时,这个问题变得更加突出。由于这是二阶张量,因此它可以分解为对称分量Sij和反对称分量Sij,其中Dij是的Sij(等式(2))称为应变率张量,(方程式(3))是涡度张量。(2)第一章:第一章2xj xin=1(ni−nj)(3)开发的软件的主要目标是识别不同速度场内的旋涡,这是典型的流体ij2xj阿斯克斯岛机械应用相干结构的出现包含了关于流态类型的信息,相干结构可以通过其尺度、强度、方向等特征来表征。然而,用于提取这些特征的鲁棒且可靠的方法尚未完全建立和读取。可用性。为了从实验 上获得速度场 ,可以 使用诸如粒子 图像速度测量(PIV)、粒子跟踪速度测量(PTV )和激光多普勒速度测量(LDV)的成像方法。它们也可以通过使用数值速度梯度张量的特征方程为:由Eq。其中P、Q和R分别是D ′的第一、第二和第三不变量。λ3+Pλ2+Qλ+R=0(4)使用分解成对称和反对称部分,这些不变量可以表示为(等式2)。(5)P=−tr(D<$)(5)用于模拟高分辨率复杂流动的方法,例如11直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES),它们能够捕捉包含尖锐梯度和小扰动的流场的细节。VortexFitting算法旨在最大限度地减少用户交互需求并自动执行涡流检测过程,然后进行理论涡流模型拟合并提取有价值的流量特征。该平台可以帮助检测、表征和跟踪各种流场中的涡流。一些潜在的应用例子是:流化床,流动中障碍物后面的涡流发射,边界层的湍流,船舶尾流,翼尖涡流,以及复杂的海洋和气象流动结构,仅举几例。另一个有趣的用例是用于涡流管的设计优化。通过输出驻点(涡心)和其他特性的数值结果,可以使用自动化例程优化管道几何形状。Raffie Sadeghiazad [2,3]使用可视化分析研究了停滞点,可以使用VortexFitting进行量化该软件还成功地用于描述水槽中柱状涡流的传播特征,并研究其随时间的衰减[4]。2. 软件描述Q=2tr(D<$)2−trD<$2=22−S2( 6)R=−det(D<$)( 7)由于VortexFitting模块化,涡流的其他数学定义(如Rortex[5])可作为检测方法实施。2.1.1. Q准则Hunt等人(1988)[ 6 ]提出的Q准则将旋涡识别为具有正的第二不变量D′的流动区域。另外一个条件是涡流区的压力应低于环境压力。Chakraborty等人(2005)[7]解释说,实际上,在Q>0的情况下检测到涡旋2.1.2. 质量标准Chong等人(1990)[8]将涡核定义为D′具有复特征值的区域。为了确定特征值是否用Eq.检验了一个方程。(8)考虑流动是不可压缩的(即P=0)。该软件检测流体流中的涡流,然后提取其相关特征(规模,强度,位置)。输入Q3=+(R)22>0(8)数据文件应至少包含二维速度场,即(uv),在笛卡尔坐标系中具有均匀的空间网格(x y)。第三个分量z-空间和w-速度是可选的。一旦读取速度场,VortexFitting程序执行三个主要操作:(i)计算局部函数以检测涡流;(ii)最大值的定位该功能;和(iii)调整(拟合)每个局部最大值的理论模型。2.1.3. 旋流强度准则旋流强度准则λci是由Zhou等人提出的。(1999)[9]。它将涡核定义为D<$具有复特征值的区域它基于笛卡尔坐标系中的速度梯度张量可以如下分解的想法(等式10)。(9)):<$T[λr0 0]T2.1. 检测方法D=[crci]0λcrλci0−λciλcr[crci](九)G. Lindner,Y. Devaux和S. 米什科维奇软件X 12(2020)1006043在本节中,将介绍代码中用于涡流识别的检测方法。这些方法基于速度梯度张量D<$,其可以被写为其中,λr是与特征向量νr相关的实特征值,λcriλci是与特征向量νriνci相关的复特征值的复共轭对。这种涡旋运动的强度可以用λci来量化,称为局部涡旋G. Lindner,Y. Devaux和S. 米什科维奇软件X 12(2020)1006044≥()]=⃗;漩涡的力量。λci的阈值没有明确定义,但理论上,任何大于零的值都应被视为漩涡。实验结果[9]表明, λci1。5给出更平滑的结果。在非均匀方向的情况下,将归一化应用于涡旋强度场,这会产生更平滑的结果。从这里,检测到的涡流的局部最大值然后可以被识别。旋流强度除以其RMS值的壁面法向剖面,(十)、2.3. 软件构架该软件由以下主要模块组成,允许以简单的方式添加新方法、模型、工具或方案:_main_.py:主程序,它包含一个解析器来指定参数和选项.该算法在图中详细描述。 二、λ<$(xλci(x1/3,x2),x)=(十)• classes.py:输入数据类型的定义,包括CI三分之一2λci,RMS(x2)使用netCDF,HD5,Tecplot和OpenFOAM的示例。的用户可以调整此文件以接受任何自定义输入文件。图图1显示了从近壁速度场导出的旋流强度,证明了归一化数据处理对旋涡检测的影响。数据是通过一个PIV案例的数值模拟获得的。图1a中给出了原始的涡流强度场,其中总共发现了104个涡流,大多数在壁附近,其中边界层在增加涡流强度方面起着重要作用。图图1b通过应用雷诺分解方法呈现了旋流强度波动。这里,发现202个涡流,并且减少了壁对涡流检测的影响。归一化步骤后的结果见图1。1c.注意,两个检测到的涡流之间的距离可以通过增加检测到的峰值处的框尺寸来修改。图图1c中,框被设置为12(以网格为单位),而不是图1c中使用的框大小6。1a和1b。该工具在每个峰位置周围绘制一个具有所需大小的方形框,仅接受具有较大大小的峰(基于内置scipy函数maximum_filter)。这种特殊的设置消除了重叠的旋涡,使它们的数量减少到图154。1b.2.2. 相干结构拟合使用最大涡旋强度的峰值或通过识别Q或θ准则高于0的位置,提供了对可能的涡流及其中心位置的粗略估计。然而,即使当阈值应用于这些方法时,也不能总是保证检测到真实的涡流。为了提高检测精度,将计算拟合模型和速度场之间的相关系数;如果相关系数高于用户指定的最小值,则涡流被接受。相关阈值可由VortexFitting中的用户根据其偏好降低(例如,对于平均流中剪切和变形的涡流)。2.2.1. 兰姆-奥森涡Thedetection.py:涡流检测方法的实现,如Q准则、涡流准则和涡流强度。fitting.py:涉及VortexFitting核心功能的算法。其中包括旋流强度场的归一化、最大值的定位、对Lamb-Oseen涡模型的拟合schemes.py:实现差分方案,如二阶、四阶和最小二乘滤波器[10]。output.py:写入拟合的涡流特征的输出。主程序的例程如图2所示,还详细介绍了试衣程序迭代循环允许根据涡的核心半径调整拟合窗口,并且如果需要,同时改变涡的中心位置。该软件利用numpy的矢量化操作来实现良好的计算性能。2.4. 软件功能该软件提供了几个选项来优化和自动化检测。如果平均流场可用,则可以通过可选参数指定该平均流场,并从当前速度场中减去平均流场在图像序列的情况下,内联参数(第一个,最后一个,步骤)允许批处理;相同的检测功能应用于完整的图像序列,并保存在一个目录中。用户可以指定两个阈值参数:(i)涡旋拟合的相关阈值,以及(ii) 用于涡流检测的涡流强度阈值。该软件可以处理各种空间尺度,不限制其数量或大小,但用户需要提供初始核心半径大小。这是使用rmax参数完成的;其值可以由用户输入或保留在网格比例上。fitting.py模块包含一些帮助用户调查其数据的功能。用户可以从速度场中绘制特定区域,手动定位位涡,并绘制涡量场。该软件保存空间的绘图(PDF或png格式)Γu(r,t)=ua+2πr[1−exp(−R2r0(t)第11章:一夜情域与检测到的涡流的位置(例如,图1和4)。每个涡流场与其Lamb- Oseen模型之间的比较 图 5)。文本其中,r是半径,r0是涡核半径,ν是粘度,和Γ是包含在涡流中的环量。它模拟了由于粘性而衰减的线涡。由于相干结构的运动,平流速度项,ua,被添加到当量用非线性最小二乘法求解方程(11),得到不同的涡参数。因此,对于每个检测到的涡旋,软件返回其位置(中心的x和y坐标)、环流Γ、核心半径r0和平流速度分量(uava)。拟合由scipy软件包(函数least_squares)管理,该软件包支持三种算法:Levenberg-Marquardt 、Powell's dogleg 或TrustRegion Reflective。生成文件,其中记录了所有相关值,包括时间步长、核心半径、循环、相关系数和中心位置。辅助数据,如检测方法,所用的差分方案,和平均场存储,以允许结果的再现性。3. 说明性实例3.1. 实验涡流产生Devaux等人[4]使用VortexFitting跟踪实验系统中的涡流。实验是在一个自由表面的水槽中进行的,在这个水槽中有一个垂直的薄板,·····G. Lindner,Y. Devaux和S. 米什科维奇软件X 12(2020)1006045Fig. 1. 涡流强度场,(a)原始场,(b)波动场,(c)来自PIV速度场的框大小=12的归一化场。黄色圆圈对应于顺时针方向旋转的漩涡,绿色圆圈对应于逆时针方向旋转的漩涡。空间变量以网格为单位进行测量。(For对本图图例中所指颜色的解释,读者可参考本文的网络版图二. 主程序的流程图。G. Lindner,Y. Devaux和S. 米什科维奇软件X 12(2020)1006046≈的情况。;× ×图三. 使用的原始数据示例(Tecplot格式)。 X、Y、Z单位为mm,VX、VY、VZ单位为mm/s。并产生由通道中的平均流平流输送的可再现的涡流。研究了两个参数,即俯仰板的最大角度αmax和其速度Kc(无量纲参数:叶尖速度与气流速度之比)。水平立体PIV测量使用50 Hz采集频率提供具有三个速度分量(uv w)的二维场(x y)。数据以Tecplot格式存储在.dat文件中(例如图3 c)。对于该实验,使用VortexFitting来跟踪涡流的时间动态。用该软件计算出平均速度场,并将其相减,使核半径保持在一个唯一值(r05 mm),适用于所有情况。αmax和Kc参数已被证明对涡轨迹有直接的影响(图1)。3a)。图图3b说明了机械参数αmax和Kc如何影响通过环量Γ获得的涡流强度。结果表明,环流随着时间的推移而减少,涡旋最终消失。3.2. 数值流化床最初由国家能源技术实验室(NETL)[11]设计的两相流化床反应器被模拟,以测试高度湍流颗粒负载流的VortexFitting能力反 应 器 的几何尺寸为0.23 × 0. 076× 1.2米(W D H),并且入口空气流速固定在2.19m/s。反应器中的固相由92,947个玻璃珠组成,直径3.25 mm,总重量1.9 kg。在这种特定情况下,由于气流模式在时间和空间上都在迅速变化,我们首先计算了随时间变化的平均空气速度。平均速度用作VortexFitting的输入,然后在所需的时间范围内从流场中减去。图图4a显示了VortexFitting的输出,其中70个位置被标记为可能的涡流。绿点对应于逆时针旋转的漩涡,而黄点代表顺时针旋转的漩涡。图4b显示 可接受的涡流,或与Lamb-Oseen涡流模型标准的相关性高于0.6的涡流。图5给出了三种公认的涡系,并与相关模型进行了比较。图四、 流化床模拟数据的VortexFitting结果左侧显示可能的旋涡(绿色和黄色圆点),右侧显示已验证的旋涡(For对本图图例中所指颜色的解释,读者可参考本文的网络版4. 影响和结论VortexFitting提供了一种工具,用于从实验或数值速度场中识别和跟踪旋涡。 在湍流问题中--从壁湍流、翼型或涡轮下游流动的研究到船舶尾流,相干结构以各种形状和尺度存在。由于流量巨大,涡流检测过程的自动化引起了研究界的极大兴趣G. Lindner,Y. Devaux和S. 米什科维奇软件X 12(2020)1006047图五. 在t=14 s时流化床上的拟合涡流。数据正在生成。考虑到实验研究,使用最先进的方法(如PIV)收集的结果的空间和时间分辨率正在变得更加精细。采用先进的数值方法进行湍流模拟,也可以观察到相同的趋势。在VortexFitting中实现涡流检测和拟合算法分为三个主要步骤:(i)检测可能的涡流,(ii)用Lamb-Oseen模型拟合从文献中发现的几种建议的涡流检测方法中,有三种已在VortexFitting中实施:Q标准[6]、涡流标准[8]和涡流强度标准λci[9]。在第一步中获得了流动中存在的旋涡的近似位置和数量一旦涡流被定位,它们被拟合到提取了临界涡参数,包括环量r、涡核半径r0、涡核半径处的切向速度uθ最后一步涉及空间和时间跟踪的旋涡,除了比较的拟合参数,允许调查的旋涡规模和他们的耗散随着时间的推移。该软件已成功用于跟踪自由表面水通道中的柱状涡,以及高湍流鼓泡流化床中的结构识别。该平台还可以用于与流体动力学相关的许多其他情况,只要流的速度场是可用的。目前,涡是拟合到具有2D速度场的Lamb-Oseen模型,但它可以扩展到第三速度分量。例如,w分量可通过近壁流动的特纳方程[12]进行预测。该模型的实现将使更多的功能,最终提供一个更好的描述的流动从速度场的提取。在某些流动中,涡流可能在特定方向上被拉伸。为了进一步完善软件,可以考虑采用椭球面拟合的可能性对相对于主流的拉伸和方向的分析将提供关于基本流的附加信息。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作致谢我们承认UBC和博士招聘奖学金作为支持的主要来源。作者要感谢里尔大学的教职员工,Jean-Philippe Laval和Jean-Marc Foucaut在VortexFitting的第一个原型期间的监督,以及Ilkay Solak在其开发的早期阶段提高了代码效率。作者还要感谢P′研究所的JohanFourdrinoy对软件的建设性反馈。引用[1] 放大图片作者:Shadden Shawn C,Lekien Francois,Marsden Jerrold E.二维非周期流中有限时间李雅普诺夫指数的拉格朗日相干结构的定义和性质。PhysD2005;212:271-304.http://dx.doi.org/10.1016/j.physd.2005.10.007网站。[2]杨文,李文,等.涡流管节流角度优化的实验研究和三维计算流体力学分析.北京:机械工程出版社,2001. J Mar SciAppl2016;15:388-404.[3]王文,王文,等.并联涡流管旋风分离器几何参数优化的实验研究与三维CFD分 析 . 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 2001 , 15 ( 3 ) : 117 - 118. Aerosp SciTechnol2017;63:110-22.[4]Y.德沃湖托马斯,D。卡吕奥湾皮诺孤立柱涡的产生:动量脉冲特性和壁面粗糙 度 的 影 响 。 流 体 动 力 学 研 究 2020;52 ( 2 ) : 025511 。http://dx.doi.org/10.1088/1873-7005/ab7ebf。[5]刘超群、高义生、田淑玲、董祥瑞。一种新的涡量矢量定义和涡度张量及矢量分解。物理流体2018;30(3):035103。[6]J. Hunt,A. Wray,P. Moin.湍流中的涡、流和会聚区。CTR-S88,1988年。[7]Chakraborty P,Balachandar S,Adrian RJ.局部涡识别方案之间的关系。流体机械杂志2005;535:189-214. 网址://dx.doi.org/10.1017/s0022112005004726网站。[8]Chong MS,Perry AE,Cantwell BJ.三维流场的一般分类..物理流体1990;2:765-77. http://dx.doi.org/10的网站。1063/1.857730。G. Lindner,Y. Devaux和S. 米什科维奇软件X 12(2020)1006048[9] Zhou J,Adrian RJ,Balachandar S,Kendall TM.槽道流中发卡涡相干包的产生机理。流体机械杂志1999;387:353-96.http://dx.doi.org/10.1017/s002211209900467x网站。[10]M.拉菲尔角Willert,F.斯卡拉诺角Kähler,S. Wewey,J. Kompenhans.粒子图像测速:实用指南。Springer; 2018,http://dx. doi.org/10.1007/978-3-540-72308-0网站。[11] B. Gopalan,F.谢弗用高速粒子成像测量的循环流化床锅炉中欧拉粒子速度数据的高阶统计分析粉末技术2013;242:13-26.http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2013的网站。一点零六分[12]J·特纳。顶部和底部边界条件对龙卷风状涡旋的约束。J Fluid Mech 1966;25(2):377-400. 网址://dx.doi.org/10.1017/S002211206600171X网站。
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