利用HHT方法对非平稳风力的时频分析

　　对于非平稳随机过程的数值解析方法目前常用的有短时傅里叶变换、W igner-Ville分布,小波变换方法和Hilber-tHuang变换方法等。短时傅里叶变换、W igner-Ville分布,小波变换方法等都是以Fourier变换为理论依据,并对傅里叶变换做了不同程度的改进,这些方法的发展已经相对较为成熟,但由于Fourier变换要求数据具有平稳性,尽管做了某些假设, Fourier谱的结果往往仍会低估低频部分的幅值,又会高估高频部分的幅值。短时傅里叶变换只适合分析带宽不变的非平稳信号;小波变换虽然具有可变的时频窗,但一旦选定某一小波基就要以此分析下去,自适应性较差;W igner-Ville分布(WVD)虽然有较高的时频分辨率和自适应性,但却有严重的交叉项和负项;HHT变换与WVD相比没有交叉项,与小波分析相比具有更高的时频分辨率,它可以自适应地分解为多个任一时刻只有单一振荡的内在模态函数(IMF)和一个残差,并在分解过程中保持信号本身的特性。

　　下击暴流是一种典型的非平稳过程,在其理论研究方面,Oseguera和Bowles[1]首先提出了满足气流质量连续性条件的垂直剖面的表达式。随后,Vicroy[2]改进了Oseguera/Bowles模型的形式,提出了轴对称、平稳状态的垂直剖面的经验模型;Holmes等[3]提出了下击暴流风中的水平风速和方向的经验模型;Wang等[4, 5]用解析方法完成了瞬间突变气流的建模和模拟; Chen等[6]提出了考虑下击暴流自身特性与在悬臂结构上的响应的混合模型,并模拟了平均风速剖面,将脉动风速模拟为均匀渐变的随机过程。这些研究成果在关于下击暴流气流理论方面奠定了基础。

　　本文利用主动控制风洞模拟出下击暴流这一非平稳风速时程,测得高层结构模型表面风压时程,在观测试验结果时域内特征的基础上,再利用HHT方法对其频域特性进行分析。

　　1 试 验

　　1.1 试验装置

　　图1为主动控制风洞结构[7]。风洞前部是99(11X9)台直径为270 mm的风扇,均用风扇用高性能AC伺服电动机通过计算机独立驱动控制气流,最大风速为15 m/s。风洞实验段总长为15 500 mm,宽2 600mm,高180 mm。试验中采用了15 500 mm长的试验段,测试部位取距整流器5 800 mm的位置。用多通道风速计测量风速。高层结构模型尺寸为100 mmX100mmX425 mm,设置位置如图2所示[8]。

　　1.2 非平稳气流的风洞试验模拟

　　令U1和U2分别表示特征高度处加速前后的平均风速,用S表示此处的加速时间。为在风洞中模拟突变气流,首先在风洞中生成均匀流U1,待其平稳后,在尽可能短的时间S内加速到U2,再次待其平稳,即可视为一个加速过程。称此方法为阶跃流法。其示意图如图3所示。