×

基于解析的过渡流和湍流的最优估计。 (英语) Zbl 1460.76569号

摘要:我们扩展了最近由A.城镇等人[同上,883,A17,第27页(2020;Zbl 1430.76127号)]从低阶测量中获得时变流量的最佳非因果估计。我们导出了测量值和某些非线性项之间的最佳传递函数,这些非线性项对线性化的Navier-Stokes方程起到了强制作用,并表明,如果强制统计的颜色已知,则流状态的传递函数等效于多输入、多输出Wiener滤波器。基于直接线性化和伴随线性化Navier-Stokes算子的集成,开发了一种无矩阵实现,使其能够应用于过渡流和湍流遇到的大型系统,而无需先验的模型简化。使用线性化的Ginzburg-Landau问题,我们表明,对于一般传感器配置,基于非因果分解的方法优于因果卡尔曼滤波器,并在特定情况下恢复卡尔曼滤波器传递函数,从而以显著降低的计算成本进行因果估计。此外,我们的方法被证明比基于预解算子到其主模式的截断的常用方法更准确和鲁棒。通过对(线性化)过渡边界层和(非线性)湍流通道流的应用,证明了该方法对过渡流和湍流的适用性。边界层的误差约为2%,渠道流量情况突出表明需要考虑强制颜色,以实现准确的流量估算。实际上,我们的方法可以用作后处理工具,从有限的实验数据中重建未测量的量,并且在传递函数可以精确截断为其因果分量的情况下,可以用作流量控制的低成本估计器。

MSC公司:

76层70 湍流控制
76F40型 湍流边界层
76D06型 Navier-Stokes及其相关方程的统计解

关键词:

控制论;计算方法
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部 哈尔

参考文献:

[1] Abreu,L.I.、Cavalieri,A.V.和Wolf,W.2017相干水动力波和尾缘噪声。在科罗拉多州丹佛举行的第23届AIAA/CEAS空气声学会议上,AIAA论文2017-3173。
[2] Ahlfors,L.V.1979《复杂分析》,第3版。麦格劳-希尔·Zbl 0395.30001号
[3] 奥克维克,E.,Hœpffner,J.,埃伦斯坦,U.W.E.&亨宁森,D.S.2007使用全局特征模在分离边界层流中进行最优增长、模型简化和控制。《流体力学杂志》579、305-314·Zbl 1175.76049号
[4] Arfken,G.B.、Weber,H.-J.和Harris,F.E.2013《物理学家数学方法:综合指南》,第7版。爱思唯尔·Zbl 1239.00005
[5] Bagheri,S.,Henningson,D.S.,Hœpffner,J.&Schmid,P.J.2009输入-输出分析和控制设计应用于空间发展流的线性模型。申请。机械。第62(2)版,020803。
[6] Bell,B.M.1994作为高斯-牛顿方法的迭代卡尔曼平滑器。SIAM J.Optim.4(3),626-636·Zbl 0814.93079号
[7] Belson,B.A.、Semeraro,O.、Rowley,C.W.和Henningson,D.S.2013二维Blasius边界层不稳定性的反馈控制:传感器和致动器的作用。物理学。流体25(5),054106。
[8] Beneddine,S.、Sipp,D.、Arnault,A.、Dandois,J.和Lesshafft,L.2016平均流量稳定性分析有效性的条件。《流体力学杂志》798,485-504·Zbl 1422.76070号
[9] Beneddine,S.、Yegavian,R.、Sipp,D.和Leclaire,B.2017平均流量和点传感器的非定常流动动力学重建:一项实验研究。《流体力学杂志》824174-201。
[10] Bewley,T.R.、Temam,R.和Ziane,M.2000A流体力学鲁棒控制的一般框架。《物理学》D138(4),360-392·Zbl 0981.76026号
[11] Bode,H.W.和Shannon,C.E.1950A简化了线性最小二乘平滑和预测理论的推导。程序。IRE38(4),417-425。
[12] Bodony,D.J.2006计算流体力学海绵层分析。J.计算。《物理学》212(2),681-702·Zbl 1161.76539号
[13] Cavalieri,A.V.G.,Jordan,P.&Lesshaft,L.2019射流动力学和声辐射的波包模型。申请。机械。修订版71(2),020802。
[14] Chevalier,M.,Hœpffner,J.,Bewley,T.R.和Henningson,D.S.,2006壁面有界流系统的状态估计。第2部分。湍流。《流体力学杂志》552167-187·Zbl 1134.76353号
[15] Chomaz,J.-M.,Huerre,P.&Redekopp,L.G.1991A空间发展流中的频率选择标准。螺柱应用。数学84(2),119-144·Zbl 0716.76041号
[16] Couairon,A.和Chomaz,J.-M.1999慢变流中的完全非线性全局模式。物理学。流体11(12),3688-3703·Zbl 1149.76351号
[17] Del Alamo,J.C.和Jiménez,J.2003湍流通道中超大各向异性尺度的光谱。物理学。液体15(6),L41-L44·Zbl 1186.76136号
[18] Dergham,G.、Sipp,D.、Robinet,J.-C.和Barbagallo,A.2011使用频率快照的流体模型简化。物理学。流体23(6),064101。
[19] Fabbiane,N.、Bagheri,S.和Henningson,D.S.2015a二维边界层流动中有限振幅三维扰动的自适应控制。在TSFP数字图书馆在线。Begel House公司。
[20] Fabbiane,N.、Simon,B.、Fischer,F.、Grundmann,S.、Bagheri,S.和Henningson,D.S.2015b关于自适应性在鲁棒层流控制中的作用。J.流体机械767,R1。
[21] Fischer,P.F.1998具有连续右手边的Ax=b迭代解的投影技术。计算。方法应用。机械。工程163(1-4),193-204·Zbl 0960.76063号
[22] Fischer,P.F.&Patera,A.T.1989不可压缩Navier-Stokes方程的并行谱元方法。《计算力学中超大问题的求解》(编辑:Kane,J.H.,Carlson,A.D.&Cox,D.L.),第49-65页。斯普林格。
[23] Fraser,D.&Potter,J.1969最佳线性平滑器是两个最佳线性滤波器的组合。IEEE传输。自动化。第14(4)页,387-390。
[24] Gibson,J.F.2012Channelflow:C++中的频谱Navier-Stokes模拟器。新罕布什尔州。
[25] Gibson,J.F.,Halcrow,J.&Cvitanović,P.2008平面Couette流状态空间几何可视化。《流体力学杂志》611,107-130·Zbl 1151.76453号
[26] Gillissen,J.J.J,Bouffanais,R.&Yue,D.K.P.2019粒子图像测速数据去噪和去滤波的数据同化方法。《流体力学杂志》877196-213·Zbl 1430.76305号
[27] Gómez,V.2007Wiener-Kolmogorov状态空间结构多元序列的滤波与平滑。J.时间序列。分析28(3),361-385·Zbl 1164.62387号
[28] Gomez-Carrasco,F.、Blackburn,H.、Rudman,M.、Sharma,A.和Mckeon,B.2014使用分解模式重建湍流管道流:应用于低阶模型和流量控制。2014年第19届澳大利亚流体力学会议论文集澳大利亚流体力学学会(AFMS 2014),第1-4页。
[29] Hervé,A.,Sipp,D.,Schmid,P.J.&Samuelides,M.2012A使用系统识别的基于物理的流量控制方法。《流体力学杂志》702,26-58·Zbl 1248.76052号
[30] Hespanha,J.P.2009线性系统理论。普林斯顿大学出版社·兹比尔1185.93001
[31] Juang,J.-N.&Pappa,R.S.1985模态参数识别和模型简化的特征系统实现算法。J.指南。控制动态8(5),620-627·Zbl 0589.93008号
[32] Kailath,T.1974A对三十年线性滤波理论的看法。IEEE传输。通知。理论20(2),146-181·Zbl 0307.93040号
[33] Kailath,T.&Geesey,R.1971最小二乘估计的创新方法第四部分:给定集总协方差函数的递归估计。IEEE传输。自动化。第16(6)页,第720-727页。
[34] Kalman,R.E.1960A线性滤波和预测问题的新方法。《基础工程杂志》82(1),35-45。
[35] Kirby,M.、Boris,J.P.和Sirovich,L.1990A模拟超声速剪切层的适当正交分解。国际期刊数字。方法流体10(4),411-428。
[36] Kolmogorov,A.N.1941内插和外插平稳随机序列。Iivestiya AN SSSR,Seriya Matematicheskaya5,119-139。
[37] Lanczos,C.1997线性微分算子。暹罗。
[38] Lesshaft,L.2018截断流域中的人工特征模。西奥。计算。流体动力学32(3),245-262。
[39] Lesshaft,L.、Semeraro,O.、Jaunet,V.、Cavalieri,A.V.G.和Jordan,P.2019湍流射流中相干波包的基于分辨率的建模。物理学。流体版本4(6),063901。
[40] Ma,Z.,Ahuja,S.&Rowley,C.W.2011使用特征系统实现算法控制流体的降阶模型。西奥。计算。流体动力学25(1-4),233-247·Zbl 1272.76103号
[41] Martinelli,F.2009湍流壁流的反馈控制。米兰理工大学博士论文。
[42] Martini,E.,Cavalieri,A.V.G.,Jordan,P.&Lesshaft,L.2019具有任意信号的ODE的准确频域识别。arXiv:1907.04787。
[43] Mckeon,B.J.和Sharma,A.S.2010A湍流管流的临界层框架。《流体力学杂志》658,336-382·Zbl 1205.76138号
[44] Meditch,J.S.1973A线性和非线性动力系统数据平滑调查。自动化9(2),151-162·兹比尔0249.93052
[45] Morra,P.2020湍流和过渡流的建模和控制。KTH皇家理工学院。
[46] Morra,P.,Nogueira,P.A.S.,Cavalieri,A.V.G.&Henningson,D.S.2020湍流河道水流解析分析中强制统计的颜色。arXiv:2004.01565。
[47] Murray,R.M.2009基于优化的控制,第11页。加利福尼亚理工学院。
[48] Nogueira,P.A.S.,Morra,P.,Martini,E.,Cavalieri,A.V.G.&Henningson,D.S.2020预解分析中的强制统计:在最小湍流Couette流中的应用。arXiv:2001.02576。
[49] Pnevmatikakis,E.A.,Rad,K.R.,Huggins,J.&Paninski,L.2014通过低阶摄动方法进行快速卡尔曼滤波和前向平滑。J.计算。图表。统计数据23(2),316-339。
[50] Sasaki,K.,Cavalieri,A.V.G.,Jordan,P.,Schmidt,O.T.,Colonius,T.&Brès,G.A.2017a湍流射流中的高频波包。《流体力学杂志》830,R2·Zbl 1421.76206号
[51] Sasaki,K.,Morra,P.,Fabbiane,N.,Cavalieri,A.V.G.,Hanifi,A.&Henningson,D.S.2018关于边界层流动控制的消波特性。西奥。计算。流体动力学32(5),593-616。
[52] Sasaki,K.、Piantanida,S.、Cavalieri,A.V.G.和Jordan,P.2017b湍流射流中波包的实时建模。《流体力学杂志》821,458-481·兹比尔1383.76301
[53] Sasaki,K.,Tissot,G.,Cavalieri,A.V.,Silvestre,F.J.,Jordan,P.&Biau,D.2016自由剪切流中波包的闭环控制。在第22届AIAA/CEAS空气声学会议上。AIAA论文2016-2758。
[54] Schmidt,O.T.,Towne,A.,Rigas,G.,Colonius,T.&Brès,G.A.2018射流湍流光谱分析。《流体力学杂志》第855期,953-982页·Zbl 1415.76293号
[55] Semeraro,O.,Pralits,J.O.,Rowley,C.W.&Henningson,D.S.2013最优控制和估算的无Riccati-less方法:二维边界层的应用。《流体力学杂志》731,394-417·Zbl 1294.76108号
[56] Da Silva,A.F.C.和Colonius,T.2018气动流基于集成的状态估计器。美国汽车协会J.56(7),2568-2578。
[57] Sipp,D.&Schmid,P.J.2016流体不稳定性和噪声诱导扰动的线性闭环控制:方法和工具综述。申请。机械。第68(2)版,020801。
[58] Symon,S.P.2018使用预解分析和数据相似法重建和估算流量。加州理工学院博士论文。
[59] Symon,S.、Dovetta,N.、Mckeon,B.J.、Sipp,D.和Schmid,P.J.2017理想翼型上二维PIV流量测量的平均速度数据同化。实验流体58(5),61。
[60] Tam,C.K.W.和Pastouchenko,N.N.2002非轴对称射流细尺度湍流的噪声。美国汽车协会J.40(3),456-464。
[61] Towne,A.,Lozano Durán,A.&Yang,X.2020基于解析的时空流统计估计。《流体力学杂志》883,A17·Zbl 1430.76127号
[62] Towne,A.、Rigas,G.和Colonius,T.2019抛物化稳定性方程的临界评估。西奥。计算。流体动力学33(3-4),359-382。
[63] Towne,A.、Schmidt,O.T.和Colonius,T.2018谱本征正交分解及其与动态模式分解和预解分析的关系。《流体力学杂志》847,821-867·Zbl 1404.76145号
[64] Trefethen,L.N.2000 MATLAB中的光谱方法,第10卷。SIAM公司·Zbl 0953.68643号
[65] Weideman,J.A.和Reddy,S.C.2000A MATLAB微分矩阵套件。ACM事务处理。数学。Softw.26(4),465-519。
[66] Welch,P.1967《快速傅里叶变换在功率谱估计中的应用:一种基于短修改周期图时间平均的方法》。IEEE传输。音频电声15(2),70-73。
[67] Wiener,N.1942平稳时间工程应用的外推、内插和平滑。马萨诸塞州理工学院。
[68] Yeh,C.-A.&Taira,K.2019基于解析的翼型分离控制设计。《流体力学杂志》867,572-610·Zbl 1430.76340号
[69] Zhou,K.,Salomon,G.&Wu,E.1999-不稳定系统的平衡实现和模型简化。Intl J.鲁棒非线性控制9(3),183-198·Zbl 0949.93018号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。