壁湍流相干结构的教学实验(五)──用子波分析辨识壁湍流相干结构

将子波分析作为一种新的工具来辨识壁湍流中的相干结构．用子波分析的方法对用热膜测速仅得到的壁湍流流向脉动速度信号在时域空间和频城空间同时进行分解,根据子波系教研究壁湍流脉动动能随尺度的分布,提出确定壁湍流的时间尺度参数的能量最大准则,提取壁湍流相干结构的速度信号波形．     

子波分析辨识壁湍流猝发事件的能量最大准则

用子波分析的方法，对用热膜测速仪得到的平板湍流边界层中流向脉动速度信号，在时域空间和频域空间同时进行时频双局部化分解．用子波系数研究了壁湍流脉动动能随尺度的分布，提出了确定壁湍流猝发事件时间尺度参数的能量最大准则，用子波逆变换得到了猝发事件对应的速度信号波形     

子波去噪技术在湍流信号处理中的应用

本文在分析了随机噪声的子波变换系数在不同尺度上的传递特性以及噪声信号奇异性与子波模极大值的关系后,提出了用尺度间变化的门限值来抑制带噪湍流信号在不同尺度上的噪声子波系数,从而实现了在重构湍流信号中消除噪声的目的。本文给出了湍流信号的子波去噪的计算机仿真结果,并与傅立叶去噪进行了比较,从结果上看,本文的方法有较好的去噪功能。     

子波变换及其对湍流的应用(Ⅱ)

<正> 4 离散子波变换 4.1 子波标架 4.1.1 定义在某种意义上,分析(6)和综合(8)两个公式就好像函数在进行运算,其中,它构成L~2(R)的一个正交完全集:在这个基础上f(x)的分解的系数由(6)给出,而根据这些系数的f(x)的重构则由(8)给出.其实,对于连续的情形,函数的集是高度冗余的.是否有可能选取一个称为“子波标架(waVelet frame)”的一个子集F,使得会构成一个对于L~2(R)是几乎正交的完全集呢?回答是肯定的,不     

壁湍流相干结构的辨识

本文评价了辨识湍流边界层近壁区域相干结构的条件采样法、自相关函数法、数字滤波法和子波分析法。结果表明：条件采样方法对门限值和平均窗宽等检测参数具有较强的依赖性，可以通过调整这些参数来选择最佳的参数值使得相干结构的误判概率达到最小。自相关函数法不需要任何参数就能够得出确定的结论，因此是一种比较客观的方法。但是，这种方法只能从统计上确定平均猝发周期，并不能实时地辨识相干结构。数字滤波法能够将湍流脉动信号分解为大尺度涡和近似各向同性的小尺度涡两部分，但是如何去掉大尺度信号中的非相干部分是仍然需要解决的问题。子波分析是分解湍流信号辨识湍流相干结构的有效手段，它能够将湍流信号在时域空间和频域空间进行双局部化分解，用能量最大准则确定相干结构对应的时间尺度参数，用子波逆变换提取相干结构对应的速度信号波形     

用能量最大准则确定VITA法的平均周期

引入了子波变换的方法来确定检测壁湍流猝发事件的VITA法的短时间平均周期T。为了确定VITA法的短时间平均周期T,用子波变换对热膜测速仪测量得到的湍流边界层近壁区域的流向脉动速度的时间序列进行了分解,分解在时域和频域同时进行,根据每一个尺度的子波系数的模的平方在时域的积分得到壁湍流每一个尺度的脉动动能随尺度的分布,用能量最大准则确定与壁湍流猝发事件的时间尺度对应的能量最大的尺度,该尺度也就是VITA法的短时间平均周期T。     

用子波分析能量最大准则修正检测壁湍流猝发的mu-level法

将壁湍流脉动速度信号子波分析技术引入壁湍流相干结构猝发检测的研究,基于子波分析能量最大准则确定相干结构猝发的时间尺度,对能量最大时间尺度的子波系数进行子波逆变换,获得能量最大时间尺度的脉动速度信号。根据其自相关函数的波长确定相干结构的平均猝发周期;根据能量最大时间尺度的子波系数的正极大值和负极小值检测壁湍流喷射和扫掠事件,获得壁湍流相干结构喷射和扫掠事件的相位平均波形。该方法可以不需要确定门限值,有效排除了小尺度脉动的干扰。     

自由端射流多尺度湍涡结构标度律的实验研究

利用后向接收式激光多普勒测速仪（ＬＤＶ）对自由湍射流进行了测量,我们对采集到的充分发展的湍流信号先求其１－８阶的结构函数及其标度指数,结果验证了Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ提出的标度律理论。然后用子波变换将自由湍流脉动速度分解为多尺度湍流结构,研究每一个尺度湍涡速度的结构函数的标度律及其与湍涡速度的自相关函数的关系。     

输气管道壁面涂料减阻机理的实验研究

用IFA-300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了风洞中不同壁面涂料的管道湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号,利用湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系,在准确测量湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上,间接测量湍流边界层的壁面摩擦阻力．对不同壁面涂料的壁湍流脉动速度信号用子波分析进行多尺度分解,用子波系数的瞬时强度因子和平坦因子检测管道湍流边界层中的多尺度相干结构,提取不同尺度相干结构的条件相位平均波形,对比研究输气管道壁面涂料的减阻机理．     

基于子波变换的周期扰动下壁湍流涡结构多尺度分析

指出了子波变换在分析含有周期成分的湍流脉动信号时所存在的问题，并给出解决方法；采用该方法，在边界层中沿法向研究了湍流边界层外区引入的周期扰动对其下游湍流中各尺度涡结构的作用。     

自由湍射流多尺度湍涡结构标度律的实验研究

利用后向接收式激光多普勒测速仪（ＬＤＶ）对自由湍射流进行了测量,我们对采集到的充分发展的湍流信号先求其１－ ８阶的结构函数及其标度指数,结果验证了Ｋｏｌｍ ｏｇｏｒｏｖ提出的标度律理论． 然后用子波变换将自由湍流脉动速度分解为多尺度湍涡结构, 研究每一个尺度湍涡速度的结构函数的标度律及其与湍涡速度的自相关函数的关系．     

数字信号处理技术在陀螺多位置寻北仪中的应用

在分析陀螺多位值寻北仪工作原理的基础上，采用求平均值和数字滤波处理陀螺输出数据，并比较了寻北结果重复性。试验表明：数字滤波后寻北精度明显提高。为进一步提高寻北精度，比较了数字滤波、AR(2)模型、小波滤波和Kalman滤波四种信号处理方法。结果表明：数字滤波、AR(2)模型和小波滤波均可以提高陀螺输出信号重复性，小波尺度重构出来的信号方差比原始信号方差降低一个数量级，Kalman滤波器使陀螺输出重复性提高30倍。由于这些方法使陀螺输出更加平稳，因而有利于提高指北仪最终寻北精度。     

完全发展的非对称槽道湍流的分形维数研究

湍流的分形维数刻画了湍流的统计正则性 ,本文利用正交子波变换对完全发展的非对称槽道湍流脉动速度的实验数据进行了分析研究。文中首先将脉动速度信号分解到各个尺度 ,然后利用正则法和盒子法两种方法计算了不同尺度信号的分形维数 ,着重于考虑分形维数的变化趋势。研究结果表明 :(1 )随着信号分解尺度的增加 ,速度信号的低频部分和高频部分的维数都逐渐减小 ;(2 )逆输运现象对速度信号的分形维数没有本质的影响 ;(3)正则法计算得到的分形维数要略大于盒子法得到的分形维数     

基于小波多分辨滤波特性的结构损伤识别

小波分析作为一个很好的损伤识别工具,可以看作是传统傅立叶变换的扩展,小波变换采取了可调整的时频窗口,因此小波变换的优势是它具有了“可变焦”性能对局部信号进行多尺度的刻画。小波基的伸缩和平移系列,使小波变换可看作是一组带通滤波器。本文全面分析了小波变换多尺度带通滤波器特性以及在结构在线损伤识别中的应用。结构损伤的出现体现在结构物理参数的改变,相对应的动力响应信号将会产生局部时变特性。利用小波分析的多尺度带通滤波器在不同尺度下对结构振动信号作滤波分析。通过观察不同带宽内振动信号的时频变化来判断结构损伤的存在。     

机器学习在力学模拟与控制中的应用专题序

为了改进机器学习方法在力学问题中的应用效果, 并提高该方法的预测精度、计算效率和泛化能力, 需要回答一些基本问题, 包括: (1)如何从数据中系统地学习抽象的力学规律和本构关系? (2)如何将物理原理和机器学习有效地结合在一起? (3)如何提升模型的鲁棒性和泛化能力? (4)如何大幅度地提升复杂力学系统的模拟效率? (5)针对多尺度或高维度的力学系统, 如何构造可靠、高效的降阶模型? (6)如何系统地提升对大型设计空间的快速搜索能力? 围绕上述这些重要的问题, 《力学学报》组织了《机器学习在力学模拟与控制中的应用》这一专题. 由于篇幅限制, 该专题包含了3篇综述论文和7篇研究论文, 从一个侧面反映了国内科研人员在该方向上的一部分最新研究进展, 供读者参考.      

求解力学模型的过程中选择数学工具易出现的问题

针对一些力学模型,特别是力学中断裂模型的求解及特殊材料力学特征分析和描述过程中所采用的数学工具(如保形映照、幂级数展开、周期性和双周期性假设等)的准确性,进行了分析和说明。指出了一些在具体问题求解过程中采用特殊数学工具或方法可能产生的问题和忽略的因素,以及产生这些问题的原因。本文对同行在研究具体力学模型求解时的数学方法选择具有一定的参考作用。     

用子波变换检测壁湍流信号局部标度指数

本文用子波变换检测了刻画壁湍流脉动信号自相似性的局部标度指数，研究了不同尺度的湍流结构的自相似性，发现在湍流边界层猝发过程中，喷射和扫掠发生时刻小尺度脉动速度信号的局部标度指数为负值，说明在大尺度猝发事件发生的时刻小尺度结构具有奇异的自相似性，在猝发过程中其作用不仅仅是对湍能的耗散．     

基于改进匹配追踪算法的化爆地震波信号时频特征提取

通过化爆地震波信号的时频分析可以获取丰富的地下岩层信息,为进一步的化爆地震波特性研究提供支撑。本文中利用爆炸地震波信号的非平稳随机特性,提出一种改进的匹配追踪算法(matching pursuits),该方法能更有效地获取化爆地震波信号的时频信息。该算法首先对地震波信号进行Hibert变换,将其转换成复数信号,获得爆炸地震波信号瞬时频率相位参数,再进行子波分解,从而显著提高了匹配追踪算法的运算速率;用分解后的信号计算其魏格纳威利分布(Wigner Ville distribution),有效地消除了交叉干扰项的影响。将该方法用于实测地震波信号的时频分析,获得了分辨率较高的时频分布图,且运算速率大大提高。     

固体的统计细观力学——-连接多个耦合的时空尺度

从固体力学所面临的新的挑战------多物理、多尺度耦合及其现状的描述开始, 以层裂 过程为例, 说明了这些多尺度非平衡问题的基本困难在于, 在固体中不同尺度上有不同的微 结构层次及不同的演化物理和速率. 接下来, 概述了一些针对这一困难的独特的思路及 其成果. 第3部分强调了一些统计平均方法的范式, 以及处理包含多个时间和空间尺度的问 题的新思路, 特别是非平衡损伤演化导致宏观失效的问题. 在第4部分, 简要评述了一些连 接多个空间和时间尺度的细观力学框架, 如位错理论, 物理细观力学, Weibull理论, 随机 理论等, 并且阐述了其中蕴含的跨尺度耦合的机理. 然后, 在第5部分, 回到了描述损 伤演化过程的框架, 也就是统计细观损伤力学以及它的跨尺度封闭近似. 基于这些跨尺度框 架, 在第6部分, 对控制跨尺度耦合的可能机理进行了评述和比较. 由于对失效时灾变 的洞察与跨尺度强耦合紧密相关, 一些非平衡和强相互作用的新概念在第7部分进行了讨 论. 最后, 以一个简短的总结和一些建议结束.     

基于小波分析的陀螺漂移趋势项提取

利用Ｄｅｂｅｃｈｉｅｓ 正交小波基,经过多尺度变换能够将一个序列分解成平滑的基本趋势序列和局部的变化细节序列。本文借助多尺度信号分解理论,提出了一种基于小波分析的信号特征提取算法。仿真结果表明利用该算法能够有效地对信号进行趋势估计。最后,本文将该算法应用于液浮陀螺移信号的试验建模中,实现了陀螺漂移信号的趋势项提取。