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![[精品论文]基于垂直剖面仪的海洋湍流观测技术及分数阶数据处理算法研究](https://uimg.taocdn.com/3f6798d267ec102de3bd8926.webp)
基于垂直剖面仪的海洋湍流观测技术及分数阶数据处理算法研究摘要海洋湍流对于认知海洋环流的运动、研究海洋能量和水体的交换演化机制起着十分重要的作用，也是驱动海洋混合和大洋环流与调节海洋特性的关键因素。
正确地认知、预测和控制湍流对揭示海洋环流运动机制具有极其重要的科学意义。
湍流观测作为研究海洋湍流的重要手段，其研究成果不断地帮助人类提高对海洋湍流的理解与认识，其中，湍流观测技术问题一直是海洋湍流研究领域面临的重大课题之一。
海洋湍流数据的获取手段与分析方法是人们进一步研究湍流混合机制的基础。
目前，采用高分辨率、高空间响应能力及高灵活度的剪切传感器搭载在不同形式的观测平台中是海洋湍流极为常用的观测手段，以此获取海洋湍流混合层有效的湍流观测数据，实现对海洋混合层微尺度湍流脉动速度梯度及剪切应力强度等不同动力学特性的表征，并基于观测平台非线性振动校正和自适应融合算法，实现海洋混合层湍流耗散率的有效估算，为海洋混合层理论和模式研究提供有效的观测手段和数据支持。
面向海洋混合层的微尺度湍流观测与认知这一关键科学问题，针对目前海洋湍流观测技术中存在的问题与制约，自主研发了一种下放式垂直剖面仪湍流微结构观测新平台，其设计理念完全继承了垂向观测方式的空间广泛性，剖面仪在下潜过程中能保持合理而稳定的下潜速度和下潜姿态，实现湍流垂向空间的稳定有效观测，为获取广泛的垂向观测数据提供了观测手段。
在处理与分析微尺度海洋湍流数据时，观测数据的准确度是研究湍流特征的基础，而噪音信号的消除问题一直是数据处理过程中的重点与难点。
海洋传感器在复杂多变的海洋环境中工作时难免会受到仪器振动及环境涡流的污染，传统噪音消除算法如傅里叶变换、小波变换等方法均适用于处理确定性的平稳线性信号，而海洋湍流是一种极端复杂的三维流体运动，真实观测到的湍流时间序列通常是不平稳非均匀的，而且易受到各种噪音污染。
因此，研发一种有效去除平台振动及涡致振动等噪音的消噪算法对提高湍流观测数据的精度是极为必要的，它为研究湍流波数谱及湍流耗散机制提供数据支持。
大气边界层中的湍流能量谱分析大气边界层是地球上大气与地表之间的过渡区域，在大气科学研究中具有重要的意义。
湍流是大气边界层中广泛存在的一种复杂运动形式，而湍流能量谱是湍流研究中常用的分析工具之一。
本文将探讨大气边界层中的湍流能量谱分析方法及其应用。
一、湍流能量谱的基本概念湍流能量谱是描述湍流内部运动能量分布的一种数学工具，它可以分析不同尺度上湍流能量的分布状况。
在大气边界层中，湍流能量谱通常是通过测量风速的时间序列数据得到的。
二、湍流能量谱的计算方法湍流能量谱的计算方法主要包括时间积分法和空间积分法两种。
时间积分法是将风速时间序列数据进行傅里叶变换，得到频谱密度函数。
空间积分法则是将风速场离散化，通过傅里叶变换得到分析波数上的湍流能量谱。
三、湍流能量谱的物理解释湍流能量谱可以帮助我们理解湍流在不同尺度上的能量转移过程。
通常情况下，湍流能量谱呈现出一个范围较宽的能量分布，存在着能量聚集在大尺度和小尺度的现象。
根据湍流能量谱的特点，我们可以进一步分析湍流的动力机制和能量传递规律。
四、湍流能量谱在大气边界层研究中的应用湍流能量谱在大气边界层研究中有广泛的应用。
首先，通过湍流能量谱的分析，我们可以了解大气边界层中湍流的空间分布特征，为风能利用和空气污染传输等问题提供参考依据。
其次，湍流能量谱还可以用于模拟大气边界层湍流，对天气和气候预报、飞行安全等问题具有重要意义。
五、湍流能量谱分析的挑战与展望在湍流能量谱分析中面临着数据质量、计算方法等方面的挑战。
未来的研究可以结合更多的观测数据和模拟方法，提高湍流能量谱分析的精度和可靠性。
此外，研究人员还可以探索湍流能量谱与其他物理量之间的关系，以进一步完善湍流能量谱的理论模型和应用。
六、结论湍流能量谱作为分析大气边界层中湍流特征的重要工具，在大气科学研究中扮演着重要的角色。
通过湍流能量谱的分析，我们可以深入了解湍流在不同尺度上的能量分布特征，揭示湍流的动力机制和能量传递规律。
流体力学05-湍流及其特征就湍流而言，最早开展详细观察的是文艺复兴时期意大利全才科学家达芬奇，他在海滩上对旋涡和湍流进行定性观察，并用画笔记录下湍流和旋涡的流场结构，他在一幅湍流名画中这样写到：乌云被狂风卷散撕裂，沙粒从海滩扬起，树木弯下了腰。
清楚地刻画了湍流的分裂破碎、湍涡的卷吸和壁剪切作用等。
01湍流的认识从1880年雷诺进行了转捩实验开始，1883年雷诺提出时均值概念，认为湍流的瞬时运动由时均运动和脉动运动组成，不过当时雷诺称湍流为曲折运动。
1895年雷诺从假设湍流瞬时运动满足N-S方程组出发，利用时均值概念对N-S方程取时均，提出描述时均运动的雷诺方程组，从此湍流研究开始走上封闭一湍流方程之不归路（其实，瞬时运动物理量是否满足N-S方程组，开始就有争议。
其最突出的关注点是表征流体微团运动的应力与变形率本构关系（牛顿内摩擦定律）是否适应于瞬时湍流？此外，N-S方程组要求物理量是连续可微函数，实际上从测量结果看瞬时物理量不可能是连续可微的，最多是个连续函数而已）。
1937年泰勒(G. I. Taylor, 1886-1975年，如图1所示）和卡门认为湍流是一种不规则的运动，当流体流过固体表面或相邻同类流体流过或绕过时，一般会在流体中出现这种不规则运动。
1959年荷兰学者欣兹(J. 0. Hinze)认为，湍流是种不规则的流动状态，但其各种物理量随时间和空间坐标的变化表现出随机性，因而能够辨别出不同的统计平均值。
我国学者周培源认一为，湍流是一种不规则的旋涡运动。
一般教科书定义，湍流是种杂乱无章、互相混掺的不规则随机运动，目前公认的看法是湍流是一种由大小不等、频率不同的旋涡结构组成，使其物理量对时间和空间的变化均表现为不规则的随机性。
图1 英国力学家泰勒02湍流基本特征在湍流的研究中，形成了以普朗特为代表的工程湍流方法和以泰勒为代表的湍流统计理论，近几十年随着计算技术的提高，数值研究湍流得到快速发展。
不同雷诺数下圆柱绕流多重分形研究作者：东乔天张淼来源：《科技视界》2019年第03期【摘要】湍流是世界复杂问题之一，目前还没有方法准确的描述湍流。
研究通过多重分形去趋势波动分析（MFDFA）流体力学中基本的圆柱绕流问题，通过CFD计算获得四个不同雷诺数速度场，利用MFDFA方法研究了不同雷诺数速度流场的尺度特性。
结果在不同雷诺数下，圆柱绕流的速度场数据在变为湍流时呈现出不同的尺度特性，雷诺数越大，湍流的分形测量值越高。
本文提供了一种描述自然界湍流的方法。
【关键词】多重分形;MFDFA;圆柱绕流;湍流中图分类号： TP393.06 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0239-002DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2019.03.1000 引言当人类对自然有更深入的了解时，多重分形不仅仅限于几何或统计领域，近年来随着人们对混沌世界和湍流的关注，多重分形分析逐渐被应用于物理学、生物学、金融学等领域。
流体从层流转变为湍流时，可以清晰的发现某些多重分形特征[1]，而这也为湍流学者提供了一个新的视角[2]。
随着实验流体技术和计算流体力学的发展，对湍流分形测量的研究越来越多，如PIV技术等，可以获得整个速度场。
圆柱绕流是流体动力学中的一种基本流，当雷诺数较低时，圆柱绕流呈现层流。
然而，随着雷诺数的增加，流动转化为湍流，当流动条件改变时，可以观察各种卡门涡街的各种形成。
本文着重研究了不同雷诺数引起的圆柱绕流的多重分形勘探。
雷诺数在一定程度上取决于湍流强度，对于不同的流场，应该有不同的分形测度来描述。
因此，本文试图通过计算流体力学和MFDFA方法，找出圆柱绕流多重分形与雷诺数的关系规律。
1 CFD模型雷诺数是本研究中唯一变量，使用相同的网格计算4个不同雷诺数工况（Re=1，102，103，104），以减少网格数量或质量引起的误差。
Re=（V×D×ρ）/μ，式中，V为来流速度，D为圆柱直径，ρ为流体密度，μ为流体粘度。
海杂波的多重分形消除趋势波动分析
金丹;察豪;左雷;邢阳阳
【期刊名称】《海军工程大学学报》
【年(卷),期】2017(029)005
【摘要】为充分描述海杂波时变特性和局部奇异性,将多重分形消除趋势理论(MFDFA)引入到雷达海杂波特性分析中,理论分析了海杂波的多重分形参数,对比分析了白噪声、单分形和海杂波的广义Hurst指数,并通过仿真进一步分析了实测海杂波数据的多重分形谱、质量指数和广义Hurst指数.结果表明:海杂波具有明显的多重分形特性,且其波动函数具有一定的分布规律.使用该分析方法提取出的海杂波的多重分形特性很好地解释了海杂波的内在非线性特性,比统计特性分析更加确切地描述海杂波的产生机理,为基于多重分形特性的雷达目标检测提供了依据.
【总页数】5页(P29-33)
【作者】金丹;察豪;左雷;邢阳阳
【作者单位】海军工程大学电子工程学院,武汉 430033;海军工程大学电子工程学院,武汉 430033;海军工程大学电子工程学院,武汉 430033;91439 部队,辽宁大连116041
【正文语种】中文
【中图分类】TN959.1
【相关文献】
1.探测交通时间序列长相关性的多重分形消除趋势波动分析方法 [J], 商朋见;于建玲;
2.非平稳海杂波的消除趋势波动分析 [J], 丁昊;关键;黄勇;于仕财;何友
3.基于去趋势波动分析的多普勒域海杂波分形分析 [J], 张令波
4.安庆气温的多重分形消除趋势波动分析与预测 [J], 程花花;郑婷婷;万涛;张琛;章意成
5.基于2分随机乘法模型的多重分形海杂波建模研究 [J], 左雷;金丹
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湍流——世纪难题看一看我们生活的周围曾经熟悉的或曾经看见过的现象，比如天空的积云或者海浪的起伏翻滚，或许见到过的袅袅炊烟，或从香烟头升起的一缕轻烟在空气中扩散开来的奇妙图案，或者宣泄的瀑布激起的浪花和涡旋，千姿百态，在激流中飞逝......这些都和湍流有关，什么是湍流呢？烟羽云近地层的雾1883年雷诺（O. Reynolds）的圆管水流实验演示了流体随着来流速度的增加由规则的流动转变为紊乱的流动，引起当时科学界的很大兴趣。
进而，雷诺对具有粘性的流体的牛顿方程，也就是Navier （1827）-Stokes（1845）方程进行了平均处理（1889），意想不到的是比方程数目多出一个未知函数，出现了闭合问题，显示了求解N-S（Navier-Stokes）方程的极大困难，从而吸引了包括当时的著名力学家在内的许多研究人员的兴趣。
当然，真正投身于其中的仍然是很少的几位流体力学大家。
当人们认识到N-S方程的非线性项不能用已知的数学方法求解，平均方法又遇到很难理解的闭合问题，这样，人们便开始寻求其他的途径。
在傅里叶变换盛行的时期，统计模式和谱方法就成为研究湍流的主要数学工具，自然也成为解决实际问题的有效方法。
不过，数学家们对于这种似乎“零敲碎打”的做法并不热衷。
例如，他们想要知道是：如果N-S方程的定解条件是光滑的，那么，其解的光滑性是否永远得以保持，还是在有限时间之后出现奇性？研究湍流的一些科学家，例如雷诺，泰勒（G. I. Taylor），冯.卡门(von Karman)和亨茨（J. O. Hinze）等人论及湍流时，无一例外地认为它是一种不规则的流动，自然也就重视它的统计平均特性。
实际上，湍流基本方程（即雷诺方程）的封闭性问题已经耗去了许多力学家的精力和大量时光，各种平均方法陆续提出，包括一些参数化方法在内，可是，取得成就的自然是极少数研究者。
这一百多年来，随着科学技术的进步，探测方法的改进和完善，新的测量仪器的出现，特别是计算机科学的飞速发展，超级计算机的大量涌现，云计算的发展，使得各种数值模式得以实现，湍流研究也取得了可喜的进展。
多重分形谱程序多重分形谱（multifractal spectrum）是一种用于描述分形几何结构的方法。
分形几何是一种利用自相似性原理描述物体或图形的数学模型，具有在各种尺度上都具有相似性的特征。
多重分形谱可以揭示物体或图形在不同尺度上的分形特征，从而更全面地理解其内在结构。
多重分形谱的基本思想是通过计算不同尺度下的分形维数，从而得到一个描述分形结构的谱。
该谱可用于分析各个尺度上的分形特征，如分形维数量化了分形的粗糙程度和纹理的丰富性。
通过分析多重分形谱，可以揭示材料、图像等领域的复杂结构和非线性行为。
多重分形谱的计算步骤如下：1.选择一个合适的分形特征：多重分形谱适用于描述具有不同分形特征的物体，如分形纹理、分形信号等。
2.确定尺度：通过改变分析尺度，可以得到不同粗糙度下的分形特征。
通常使用尺度区间来表示不同的尺度。
3.计算分形维数：选择一个分形维数测量方法，如盒计数法、分形能量法等，计算不同尺度下的分形维数。
4.构建多重分形谱：将得到的分形维数按照尺度进行排序，并绘制成图谱。
多重分形谱通常呈现出一个上升或下降的曲线，反映了分形结构的变化趋势。
多重分形谱广泛应用于物理、材料科学、地质学、图像处理等领域，例如分析复杂材料的纹理特征、识别图像中的纹理类型等。
它不仅可以在定性上描述物体的分形特征，还可以量化分形结构的不同方面，如分形维数的变化范围、分形结构的复杂程度等。
多重分形谱在实际应用中也面临一些挑战和限制。
首先，计算多重分形谱需要大量的数据和计算资源，对于大规模数据和高分辨率图像可能存在计算效率问题。
其次，选择合适的分形维数测量方法对结果的准确性和可靠性有着重要影响，需要根据具体问题选择适合的方法。
总之，多重分形谱是一种重要的分形分析方法，能够揭示物体或图形在不同尺度上的分形特征。
通过分析多重分形谱，我们可以更全面地了解分形结构的内在性质和复杂行为，为材料科学、图像处理等领域的研究提供了一个有力的工具。
现代物理中基于多重分形的科学研究现代物理是一个高度发展的领域，以其严密的理论和强大的实验技术广为人知。
多重分形是近年来在现代物理中被广泛研究的一个新兴领域。
多重分形能够用于描述自然界中许多复杂的现象和系统，如气象、金融、心电图等。
本文将探讨基于多重分形的科学研究在现代物理中的应用。
多重分形理论最早由Benoit Mandelbrot在20世纪中期提出，其主要思想是将分形的概念扩展到自相似结构的多个尺度上，从而描述它们的统计性质。
在传统分形中，分形是指无论缩放尺度如何变化，其形状和结构都保持不变的数学图形。
而在多重分形中，分形性质随着缩放尺度的变化而变化，因此可以更好地描述真实世界中复杂系统的性质。
多重分形理论的应用不仅限于数学领域，还应用于物理学中，如流体力学、物质结构、动力学等领域。
例如，在流体力学中，多重分形应用于描述流体的湍流结构，为湍流流动的表征提供了新的方法。
在物质结构中，多重分形理论应用于描述凝聚态物理中的物质结构，例如凝胶、纳米结构、冰雪晶体等。
多重分形理论还能描述材料的负热膨胀现象和催化剂的催化性质，从而用于解决许多实际问题。
除此之外，多重分形理论还应用于金融市场中。
金融市场是一个非常复杂的系统，而多重分形理论提供了一种新颖的方法来描述财务市场中的复杂性。
多重分形分析可用于预测金融市场的波动性和长期变化趋势，因此得到了许多金融领域的重视和应用。
多重分形的应用不仅限于自然科学和金融领域，它还被广泛应用于生命科学中，如心电图等。
心电图信号包含时间序列和频谱两个方面，频谱分析常用于探索心电图信号的周期和幅度，而时间序列分析则应用多重分形来描述其统计性质。
多重分形分析可用于区分健康和疾病状态下心电信号的不同，因此对于心电图信号的自动检测和诊断具有重要的意义。
总之，多重分形理论在现代物理学中得到广泛应用，其对于描述自然界中的复杂现象和系统提供了一种新的工具和方法。
在将来，人们可以通过更深入的研究，更好地理解和配置我们的生活。
大气湍流尺度的多尺度变异特征分析大气湍流是指在空气中由于不同温度、湿度和气压等因素的不均匀分布，造成平流层中气流的混乱运动现象。
它是大气环流的基础，对天气变化和气候演变具有重要影响。
湍流的尺度变异特征是研究湍流现象的关键内容之一，因为它涉及到湍流运动的层次结构和能量传递机制，对于提高湍流预测和模拟的准确性具有重要意义。
湍流尺度的多尺度变异特征主要表现在时间和空间两个方面。
在时间尺度上，湍流的变异特征往往呈现出不同时间尺度的波动现象。
这是由于大气湍流现象是由各种不同时间尺度的运动组合而成的。
在较小的时间尺度上，湍流表现为快速的湍动现象，如湍流中的涡旋等，而在较长的时间尺度上，湍流则表现为一种较为平稳的运动状态。
在空间尺度上，湍流的变异特征主要表现为湍流现象在不同空间尺度上的发展和演化。
大气湍流的空间变异性较大，尺度范围从几米到几千公里不等。
具体来说，湍流的小尺度变异特征主要表现为湍流中的小尺度涡旋，如涡旋漩涡。
在大气边界层中，湍流强烈，小尺度湍流现象更为明显。
而湍流的大尺度变异特征则主要表现为湍流的大尺度涡旋，如风暴系统和台风等。
湍流尺度的多尺度变异特征是湍流研究的难点之一，也是目前研究的热点之一。
通过对湍流尺度变异特征的深入研究，可以更好地认识和理解湍流现象，为湍流的预测和模拟提供准确的基础数据和物理机制。
此外，湍流尺度变异特征的研究还可以为大气环流的结构、能量传递和相互作用等问题提供重要的参考依据，对于气象学、气候学和环境科学等学科的发展具有重要的意义。
在研究湍流尺度的多尺度变异特征时，常用的方法包括实测观测和数值模拟两种。
实测观测是通过设置不同尺度的观测设备，如风速仪、气温仪和湍流探针等来获取湍流尺度变异特征的实际数据。
实测观测虽然能够提供真实的湍流尺度变异特征，但其数据的时空分辨率往往受到限制，无法获得全面和连续的观测数据。
数值模拟则是通过建立湍流运动的数值模型，利用计算机仿真湍流的运动过程，从而获得湍流尺度变异特征的模拟数据。
