Spectral analysis of nonlinear flows

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作者
Clarence W. Rowley,Igor Mezić,Shervin Bagheri,Philipp Schlatter,Dan S. Henningson
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:641: 115-127 被引量:2088
标识
DOI:10.1017/s0022112009992059
摘要

We present a technique for describing the global behaviour of complex nonlinear flows by decomposing the flow into modes determined from spectral analysis of the Koopman operator, an infinite-dimensional linear operator associated with the full nonlinear system. These modes, referred to as Koopman modes, are associated with a particular observable, and may be determined directly from data (either numerical or experimental) using a variant of a standard Arnoldi method. They have an associated temporal frequency and growth rate and may be viewed as a nonlinear generalization of global eigenmodes of a linearized system. They provide an alternative to proper orthogonal decomposition, and in the case of periodic data the Koopman modes reduce to a discrete temporal Fourier transform. The Arnoldi method used for computations is identical to the dynamic mode decomposition recently proposed by Schmid & Sesterhenn ( Sixty-First Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics , 2008), so dynamic mode decomposition can be thought of as an algorithm for finding Koopman modes. We illustrate the method on an example of a jet in crossflow, and show that the method captures the dominant frequencies and elucidates the associated spatial structures.
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