旋转湍流实验中相干结构的提取

使用离散小波包变换（DWPT）和离散小波变换（DWT）来提取和研究旋转湍流流体中相干结构的动力学。通过在旋转水箱（高48.4厘米，直径39.4厘米）底部的管道强力泵送产生三维（3D）湍流。随着水箱高度的增加，该流动向二维（2D）湍流演变。对准二维流动的粒子图像测速（PIV）测量揭示了许多长寿命的、尺寸范围广泛的相干涡旋。涡量场表现出涡旋的诞生、合并、散射和毁灭。我们通过阈值化涡量场的DWPT和DWT系数，将流动分为低熵的“相干”和高熵的“非相干”两部分。还测试了使用傅里叶变换和JPEG压缩以及Okubo-Weiss准则的类似阈值化以进行比较。我们发现DWPT和DWT产生相似的结果，并且在表示总流动方面比基于傅里叶的方法高效得多。仅需DWPT和DWT约3%的大振幅系数即可表示相干分量，并保持涡量概率密度函数、输运特性以及空间和时间相关性。剩余的小振幅系数代表非相干分量，其涡量PDF接近高斯分布，不包含相干结构，在时间上迅速失去相关性，并且对流动的输运特性贡献不大。这表明可以使用相对较少的小波或小波包模式来描述和模拟这种湍流。