一种对砰击流场进行动态特征提取的分析方法与流程
本发明属于海洋结构物流体动力学数据分析、非定常流场降阶建模及多流场数据处理，具体涉及一种以砰击流场时序结果数据为输入，通过砰击事件的时间对齐、动态目标区域映射及多流场联合快照向量构造实现砰击流场动态特征提取与低阶重构的分析方法。
背景技术：
1、浮式海工结构在高速航行、波浪遭遇或大幅运动过程中，结构底部、首部、舷侧或局部外板可能与自由液面发生高速相对作用，形成持续时间短、压力梯度高、界面变形剧烈且局部流动尺度快速变化的砰击现象。砰击过程通常伴随局部高压瞬时加载、湿表面迅速扩展、自由液面抬升和破碎、射流形成、流动分离以及涡结构生成与衰减。上述流动行为直接影响峰值压力、砰击冲量、作用范围和载荷传播路径，并与结构局部强度、疲劳损伤及安全性密切相关。
2、现有砰击流场分析通常采用瞬时云图观察、局部测点时域或频域分析、峰值统计以及基于正交分解或动态模态分解的降阶分析。瞬时云图依赖人工判读，局部测点难以反映整体空间组织形式，峰值统计难以揭示高压区和界面结构的形成、传播与衰减过程。基于能量准则的正交分解能够提取主要空间结构，但同一模态中可能混合多个时间尺度；基于相邻快照演化关系的动态模态分解能够给出频率和增长衰减信息，但直接应用于砰击流场仍存在以下问题。
3、第一，传统方法通常在固定空间区域内构建快照。砰击过程中自由界面、湿表面和高压区均快速移动，固定区域包含大量与目标事件无关的背景流动，并可能将界面平移和目标区域迁移误识别为动态结构，造成模态混叠。
4、第二，传统方法多采用等时间间隔采样，并以绝对时间直接比较不同工况。由于不同工况下初始接触时刻、压力峰值时刻和卸载持续时间不同，未经事件定位和时间对齐的快照难以形成可比的动态演化关系；同时，等间隔采样可能在短促的快速加载阶段采样不足，而在缓慢衰减阶段产生冗余样本。
5、第三，压力、速度、液相体积分数和涡量分别反映压力冲击、动量输运、界面形态和旋涡演化。若仅分析单一流场，难以统一表示砰击全过程；若将不同量纲流场直接拼接，数值尺度较大的物理量会支配奇异值分解，导致联合模态失去明确物理含义。
6、因此，需要一种针对砰击强瞬态特征的分析方法，在构建动态演化模型之前完成砰击事件定位、时间归一化、动态目标区域提取和多流场尺度协调，从而提高模态的物理可解释性、不同工况间的可比性以及低阶重构的准确性。
7、本背景技术部分中公开的以上信息仅用于理解本发明构思的背景技术，并且因此，它可以包含不构成现有技术的信息。
技术实现思路
1、本发明旨在解决固定分析区域引起的背景干扰和几何漂移、不同砰击事件时序不一致以及多流场量纲和尺度不统一的问题，提供一种对砰击流场进行动态特征提取的分析方法。
2、一种对砰击流场进行动态特征提取的分析方法的步骤包括：
3、s1：获取浮式海工结构砰击过程中多个时刻的流场物理量，并同步获取砰击载荷响应量；
4、s2：基于砰击载荷响应量构建砰击事件指标，确定砰击响应全过程特征阶段，并将砰击响应全过程特征阶段内的原始采样时刻映射至归一化砰击时间轴，在归一化砰击时间轴上获得时间对齐后的流场快照数据；
5、s3：根据各时刻液相体积分数场确定瞬时自由界面，根据流场物理量确定高梯度流动区域，将瞬时自由界面的邻域与高梯度流动区域合并形成随时间变化的动态目标区域，并将各时刻动态目标区域映射至统一参考域，并得到统一参考域内的流场；
6、s4：对映射至统一参考域的不同流场分别进行无量纲化，并根据各流场对砰击载荷响应量确定物理权重，构建流场联合快照向量；
7、s5：基于相邻归一化砰击时刻的流场联合快照向量构建第一联合快照矩阵和第二联合快照矩阵；
8、s6：对第一联合快照矩阵进行截断奇异值分解，构建低维谱演化算子，并对低维谱演化算子进行谱特征求解得到低维谱特征向量；
9、s7：将低维谱特征向量回映射至统一参考域，得到多流场耦合的高维时空特征结构，从高温时空特征结构筛选出主控时空特征结构；
10、s8：利用主控时空特征结构对砰击流场进行低阶近似重构，并将重构结果由统一参考域逆映射至各原始时刻的物理域，以识别流场瞬态动力学特征。
11、作为一种可选地实施方式，所述砰击事件指标可用公式（1）表示：
12、 （1）
13、其中，、和为非负的砰击事件权重，并且；未使用的响应量对应权重取0；上横线表示归一化后的响应量。
14、3.根据权利要求1所述的根据权利要求1所述的对砰击流场进行动态特征提取的分析方法，其特征在于，任一所述响应量的归一化表达式为公式（2）：
15、 （2）
16、其中，和分别为目标时间窗内响应量的最小值和最大值。
17、作为一种可选地实施方式，步骤s2中，确定所述砰击响应全过程特征阶段的步骤包括：
18、1）基于所述砰击事件指标 e(t) 以及流体与结构接触数据由公式（3）确定初始接触时刻tc ：
19、 （3）
20、其中，为接触判定阈值，为事v件指标的最大值，为结构表面邻域液相占比，为液相占比阈值；
21、2）根据最大压力或最大砰击合力由公式（4）确定峰值响应时刻：
22、或（4）
23、3）由公式（5）确定卸载衰减结束时刻：
24、 （5）
25、其中，为卸载结束阈值，为稳定判据持续时间。
26、作为一种可选地实施方式，所述流场快照数据的获取步骤包括：
27、1）将原始时间 t分段映射至归一化砰击时间τ，并用公式（6）表示：
28、 （6）
29、其中，为接触前时间窗起点，、、和为预设阶段节点；
30、2）在归一化时间轴上获得时间对齐后的流场快照数据由公式（7）表示：
31、 （7）
32、其中，为由原始时间到归一化时间的插值算子，为归一化采样点数。
33、作为一种可选地实施方式，所述瞬时自由界面由公式（8） 表示，其中，为界面判定值，一般取为0.5；
34、所述高梯度流动区域由公式（9）表示，其中，、和分别为归一化压力梯度、速度梯度和涡量指标，、和为非负权重，为高梯度阈值；
35、所述动态目标区域由公式（10） 表示，其中，为结构近壁区域，表示尺度为的缓冲扩展操作；
36、所述映射由公式（11） 表示，其中，为尺度变换矩阵，为动态目标区域参考点，为统一参考域中的对应参考点；
37、所述统一参考域内的流场由公式（12）表示，其中，为由原物理域到统一参考域的守恒映射算子。
38、作为一种可选地实施方式，所述流场联合快照向量用公式（18）表示，其中，、、和为空间权重矩阵。
39、作为一种可选地实施方式，砰击事件指标由结构表面最大压力变化率、湿表面积变化率和砰击合力变化率中的至少两项加权构成。
40、作为一种可选地实施方式，归一化砰击时间轴包括接触前阶段、快速加载阶段、峰值阶段和卸载衰减阶段，原始采样时刻映射包括分段线性映射或单调插值映射。
41、作为一种可选地实施方式，动态目标区域至少包括液相体积分数等值面两侧的自由界面带状区域、结构近壁区域、高梯度流动区域中的一个，高梯度流动区域至少满足压力梯度阈值、速度梯度阈值、涡量阈值中的一个。
42、作为一种可选地实施方式，统一参考域为结构固连参考域、自由界面固连参考域或由二者组合构成的局部参考域；映射的方法为平移、旋转、尺度归一化、基于网格插值的坐标变换中的一种或几种。
43、作为一种可选地实施方式，流场联合快照向量至少由无量纲压力场、无量纲速度场、液相体积分数场及无量纲涡量场中的两种按预设权重拼接构成。
44、作为一种可选地实施方式，物理权重根据各流场在目标时间窗内的均方根、特征尺度、压力冲量灵敏度或载荷重构灵敏度确定，并满足各物理权重平方和为1。
45、作为一种可选地实施方式，奇异值的截断阶次根据累计奇异值贡献率和砰击响应重构误差确定。
46、作为一种可选地实施方式，所述主控时空特征结构是通过对多个评价指标进行排序而确定，所述评价指标包括结构幅值、特征频率、增长衰减率、对砰击合力和砰击冲量的贡献度、以及重构误差变化量中的至少两项。
47、作为一种可选地实施方式，所述流场物理量和砰击载荷响应量的获取方式均包括数值模拟、粒子图像测速、压力敏感涂层、高速摄影中的一种或多种。
48、本发明至少具有以下效果：
49、（1）根据瞬时自由界面及高梯度流动区域构造动态目标区域并映射至统一参考域，能够减少远场背景流动、界面整体平移和目标区域迁移造成的模态混叠。
50、（2）通过砰击事件指标定位接触、峰值和卸载阶段并进行归一化时间映射，能够提高峰值附近的时间分辨率，使不同工况和不同砰击事件的流场联合快照向量在相同物理阶段上可比较。
51、（3）通过不同流场的无量纲化、物理权重和空间权重构造联合快照向量，可在同一动态特征结构中统一表示压力冲击、动量输运、自由界面变形和涡结构演化，避免直接拼接造成的尺度问题。
52、（4）砰击事件识别与时间对齐、动态目标区域映射、多流场无量纲化及物理加权处理在在低维谱演化分析之前完成，使动态特征求解不再只是将传统分解方法直接用于砰击数据，而是基于经事件对齐、区域校正和物理协调后的专用联合快照向量进行分析，从而提高主控时空特征结构识别和低阶重构的物理可解释性。