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基于小波分析方法的高超音速尖锥边界层转捩的实验研究

作　者: 李悦雷
导　师: 姜楠
学　校: 天津大学
专　业: 流体力学
关键词: 高超音速边界层转捩小波分析功率谱分析双谱分析互双谱分析
分类号: V211.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

关于层流——湍流的转捩的研究是现代流体力学中最具有挑战性的一个课题,对现代高性能飞行器的设计具有重要的意义。为了深入地考察转捩过程的流动特性,在高超音速风洞中,对自由来流马赫数为5.95,攻角为0°,不同雷诺数(总压P0≈690;980;1430KPa)时的半锥角为5°的尖锥,分别沿流向和不同滚转角进行了壁面压力、壁面温度的测量,同时利用ALTP(原子层热电堆)传感器对尖锥边界层壁面上热流瞬时脉动特征进行了精细测量。本文对ALTP传感器输出的高超音速尖锥边界层壁面热流瞬时脉动信号进行了多尺度小波分析,并且在小波分析的基础上对时间序列信号的功率谱、双谱和互双谱进行了计算。通过对基本流场的分析,辨识了不同实验条件下的高超音速流场中尖锥壁面的基本流动状态,并且在P0≈1430kPa时的条件下观察到了层流——湍流转捩的过程;通过对热流瞬时脉动信号进行多尺度小波分析及功率谱的计算,清楚地辨识了在高超音速流动中的第一模态特征和第二模态特征,并且发现在转捩过程未发生时(P0≈690;980KPa),究竟是第一模态特征还是第二模态特征占主导地位也是不同的,但是在转捩过程发生时(P0≈1430KPa),第二模态特征占据了主导地位,甚至使得第一模态特征变得十分不明显;通过双谱和互双谱的分析,对尖锥边界层壁面热流瞬时脉动信号内的特征频率的耦合作用情况进行了深入的研究,从双谱分析中观察到了第一模态特征或第二模态特征占据主导地位的情况,这与在小波谱分析和功率谱分析所得到的结论相一致,同时发现各个特征频率只是对其相邻的频率有较大的影响,但是这种影响的范围随着频率的增加而增大;从互双谱分析中发现,虽然各个特征频率之间有着一定的耦合作用,但是它们之间的这种耦合作用对信号中的其他与之相关的频率的影响并不是很大。通过本文的研究发现,小波分析对于高超音速流动中的第一模态特征和第二模态特征的辨识是十分有效的,并且通过基于小波变换的相关谱分析可以对特征模态有一个更加深入的认识。

全文目录

中文摘要  2-3
Abstract  3-7
第一章引言  7-15
  1.1 关于转捩研究的概述  7-10
    1.1.1 关于转捩的理论分析与数值计算研究  8-9
    1.1.2 关于转捩的实验研究  9-10
  1.2 小波分析在转捩研究中的应用  10-13
    1.2.1 小波分析简介  10-13
    1.2.2 小波分析在高超音速流动中的应用  13
  1.3 本文的工作  13-15
第二章实验设备及实验方法  15-25
  2.1 实验风洞  15-16
  2.2 实验模型  16-18
  2.3 模型的0~o攻角校准  18
  2.4 ALTP 传感器  18-23
  2.5 测量系统的控制与数据采集  23-25
第三章连续小波变换及相关谱分析概述  25-31
  3.1 基本定义  25-26
    3.1.1 基本小波（小波母函数）定义  25
    3.1.2 连续小波定义  25
    3.1.3 连续小波变换（CWT）  25-26
  3.2 连续小波变换的重要特性  26
  3.3 小波变换在频域上的特点  26-27
  3.4 连续小波变换在本文中的应用  27-28
    3.4.1 小波母函数的选取  27
    3.4.2 小波母函数中心频率计算  27-28
    3.4.3 小波变换中尺度和频率的对应关系  28
  3.5 基于连续小波变换的相关谱分析  28-31
    3.5.1 连续小波变换功率谱计算  29
    3.5.2 基于小波变换的双谱(Bispectrum)计算方法  29
    3.5.3 基于小波变换的互双谱(Cross-Bispectrum)计算方法  29-31
第四章基本流场分析  31-38
  4.1 P_0≈980KPa 时基本流场的测量情况  31-33
  4.2 P_0≈690KPa 时基本流场的测量情况  33-35
  4.3 P_0≈1430KPa 时基本流场的测量情况  35-37
  4.4 基本流场分析小结  37-38
第五章基于小波变换的相关谱分析  38-59
  5.1 小波系数谱分析  38-45
    5.1.1 P_0≈980KPa 时的小波系数谱分析  38-41
    5.1.2 P_0≈690KPa 时的小波系数谱分析  41-43
    5.1.3 P_0≈1430KPa 时的小波系数谱分析  43-45
  5.2 基于小波变换的功率谱分析  45-51
    5.2.1 P_0≈980KPa 时的功率谱分析  45-47
    5.2.2 P_0≈690KPa 时的功率谱分析  47-49
    5.2.3 P_0≈1430KPa 时的功率谱分析  49-51
  5.3 基于小波变换的双谱（Bispectrum）分析  51-55
    5.3.1 P_0≈980KPa 时的双谱分析  51-53
    5.3.2 P_0≈690KPa 时的双谱分析  53-54
    5.3.3 P_0≈1430KPa 时的双谱分析  54-55
  5.4 基于小波变换的互双谱（Cross-Bispectrum）分析  55-59
    5.4.1 P_0≈980KPa 时的互双谱分析  55-56
    5.4.2 P_0≈690KPa 时的互双谱分析  56-57
    5.4.3 P_0≈1430KPa 时的互双谱分析  57-59
第六章结论  59-62
参考文献  62-67
发表论文和科研情况说明  67-68
致谢  68

基于小波分析方法的高超音速尖锥边界层转捩的实验研究

内容摘要

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