محاسبه سرعت جابجایی گردابه‌های جریان آشفته در یک مجرا به کمک انتشار امواج صوتی

در سال‌های اخیر استفاده از صدای جریان آشفته در جریان‌های داخلی به‌عنوان یک روش غیر تهاجمی اندازه‌گیری سرعت جریان سیال بیش از پیش توجه مهندسان را به خود جذب کرده است. چالش اصلی در این روش ایجاد ارتباط معنی‌دار بین خصوصیات جریان آشفته و صدای دریافتی بر روی دیواره است. مقاله حاضر به مطالعه جریان‌ آشفته در یک مجرای مستقیم با مقطع مستطیلی شکل می‌پردازد تا ارتباط بین ساختارهای جریان آشفته و سیگنال‌های صوتی ثبت شده بر دیواره‌های مجرا را تشریح نماید. عدد رینولدز اصطکاکی جریان  برابر 395  بوده و تحلیل جریان با استفاده از روش شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ1 برای یک مجرای سه بعدی انجام می‌شود. بعد از حل میدان جریان و به‌دست آوردن منابع تراکم‌ناپذیر، میدان آکوستیک نیز با استفاده از یک مدل ترکیبی آکوستیک بدست می‌آید. تحلیل‌ها نشان داد که در اعداد ماخ پایین، نوسانات فشار غیرقابل تراکم که به‌عنوان شبه‌صدا شناخته می‌شوند، در طیف صدا غالب هستند. این نوسانات از جابجایی محلی گردابه‌های آشفته بر روی دیواره‌های مجرا ناشی می‌شوند و اثرات قابل توجهی از خود بر روی دیوار به‌جای می‌گذارند. این اثرات قابل اندازه‌گیری است و با ردیابی آن‌ها دیواره مجرا، می‌توان سرعت‌های جابجایی ساختارهای جریان در مقیاس‌های طولی مختلف را تعیین کرد. برای ساختارهای بزرگ و غالب از نظر انرژی (مقیاس‌های طولی انتگرالی)، سرعت‌های انتقال در بازه‌ای بین 0.6 تا 0.8 سرعت متوسط کانال هستند. همچنین مشخص شد که با افزایش سرعت متوسط جریان، دقت سرعت اندازه‌گیری شده از این روش نیز بالاتر می‌باشد.

determination of convective velocity of eddies in turbulent channel flows using acoustic wave propagation

in recent years, the use of turbulent flow noise in internal flows, as a non-invasive method for measuring fluid flow velocity, has increasingly attracted the attention of engineers. the main challenge in this method is establishing a meaningful relationship between the characteristics of turbulent flow and the sound signals received on the wall. this paper investigates turbulent flow in a straight rectangular channel to explain the connection between turbulent flow structures and the acoustic signals recorded on the channel walls. the friction reynolds number of the flow is 395, and the flow analysis is carried out using the large eddy simulation (les) method for a three-dimensional channel. after solving the flow field and obtaining the incompressible sources, the acoustic field is also derived using a hybrid acoustic model. analyses showed that, at low mach numbers, incompressible pressure fluctuations, known as pseudo-sound, dominate the sound spectrum. these fluctuations originate from the local convection of turbulent vortices on the channel walls and leave significant effects on the wall surface. these effects are measurable, and by tracking them along the channel walls, it is possible to determine the convection velocities of flow structures at different length scales. for large, energy-dominant structures (integral length scales), the convection velocities range between 0.6 to 0.8 times the mean channel velocity. it was also found that, with increasing the mean flow velocity, the accuracy of the velocity measurement obtained from this method is improved