[发明专利]高超声速湍流中各向异性功率谱和波结构函数特性的仿真方法

摘要

本发明公开了一种高超声速湍流中各向异性功率谱和波结构函数特性的仿真方法，主要解决现有技术不能得出高超声速湍流折射率起伏各向异性功率谱，从而无法进行电波传播的仿真。根据高超声速湍流混合层实验图像傅里叶变换得到折射率空间变化功率谱密度数据；修正von Karman功率谱，使其更好的吻合高超声速湍流的功率谱密度数据；再此基础上引入各向异性参数ξx和ξy，建立高超声速湍流各向异性功率谱模型；最后利用随机介质中的波传播理论仿真计算了高超声速湍流中电磁波束的波结构函数和空间相干半径随折射率起伏方差、外尺度和各向异性参数的变化特性。本发明弥补了高超声速湍流中折射率起伏功率谱的空缺，使随机介质中的波传播理论不再局限于大气湍流的研究领域，可用来研究高超声速湍流中的电磁波传播特性。

主权项

高超声速湍流中各向异性功率谱和波结构函数特性的仿真方法，包括步骤如下：(1)根据纳米平面激光散射技术获得的高超声速湍流混合层实验图像，沿着高超声速湍流流场的方向对实验图像进行傅里叶变换得到高超声速湍流折射率空间变化的功率谱密度数据；(2)通过对高超声速湍流折射率空间变化的功率谱密度数据和折射率起伏的观察，发现其与von Karman功率谱密度变化特性相似，因此对von Karman功率谱进行相应的修正，得到如下的功率谱表达式：其能更好的吻合高超声速湍流的功率谱密度数据，其中，是折射率起伏常数，l0是内尺度，L0是外尺度，κ0＝(2π/l0)(m‑0.7)，其中m＝4‑d，d是分形维数，a是可以由κ0和m表示的拟合参数；(3)考虑到高超声速湍流的湍涡在与传播路径垂直的xy平面上的非对称性，在修正von Karman功率谱中引入各向异性参数ξx和ξy，得到高超声速湍流各向异性功率谱表达式：其中，ξx和ξy表示沿着x和y方向的各向异性参数；(4)基于高超声速湍流的各向异性功率谱模型，利用随机介质中的波传播理论方法仿真计算了高超声速湍流中电磁波束的波结构函数随折射率起伏方差、外尺度和各向异性参数的变化特性。