High fidelity simulation and spectral proper orthogonal decomposition-based wave packet parameterization of wall pressure fluctuations in backward facing step flow

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作者
Bingfu Han,Yadong Han,Dangguo Yang,Lei Tan
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:38 (8)
标识
DOI:10.1063/5.0340280
摘要

Separated flows generate intense unsteady wall pressure fluctuations that are critical sources of aerodynamic noise and structural fatigue. Although reduced-order models (ROMs) have been widely used to represent such dynamics, many existing approaches remain largely data-driven and offer limited physical interpretability of the underlying instability mechanisms. The present study aims to develop a highly compact and interpretable ROM framework for representing wall-pressure spectral dynamics using a sparse set of physical parameters. To generate a reliable high-fidelity database, a modified delayed detached eddy simulation (DDES) model incorporating a Vortex Tilting Measure-based subgrid-scale definition is employed for a backward-facing step flow at ReH = 3.7 × 104. Spectral proper orthogonal decomposition (SPOD) is then applied to disentangle the multiscale dynamics, followed by the introduction of a Gabor wave packet model to analytically parameterize the leading SPOD modes. The modified DDES successfully mitigates the gray-area issue, accurately predicting the rapid shear-layer transition and a reattachment length of Xr/H ≈ 6.2. SPOD analysis demonstrates that the wall-pressure field is dominated by coherent structures associated with the Kelvin–Helmholtz instability, with the leading mode capturing 40%–60% of the local fluctuation energy. The proposed SPOD-Gabor ROM achieves extreme analytical compression, maintaining a high spatial reconstruction accuracy (R2 > 0.9) for the dominant fluctuations using only nine scalar parameters per frequency. Furthermore, the identified parameters exhibit consistent physical trends, explicitly capturing the asymmetric growth-decay behavior of the wave packets and recovering a convection velocity of Uc ≈ 0.55U0, in excellent agreement with classical free shear layer theory.
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