31816

تحليل عددي و مقايسه تطبيقي روش هاي مختلف شناسايي مرز جريان آشفته و غير آشفته

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك - تبديل انرژِي

1400

1403/06/27

زينب پورانصاري

--

دانشكده مكانيك

مرز بين جريان آشفته و غير آشفته (TNTI) يك موضوع مهم تحقيقاتي در ديناميك سيالات و توربولانس است. اين مرز نقش كليدي در اختلاط اسكالر، جرم، تكانه و تبادل انرژي ايفا مي‌كند و درك آن امكان كنترل بهتر جريان و بهينه‌سازي طراحي را فراهم مي‌سازد. همچنين، در مطالعات زيست‌محيطي، به‌ويژه جريان‌هاي جوي و اقيانوس‌شناسي، اين مرز بر الگوهاي آب و هوا و پراكندگي آلاينده‌ها تأثيرگذار است. بر اين اساس، هدف پژوهش حاضر بررسي مرز هسته ساكن در جريان آشفته داخل كانال و TNTI در جت ديواره‌اي آشفته با استفاده از كدنويسي در محيط متلب و پايتون است. در بخش اول پژوهش، حضور هسته ساكن در جريان آشفته داخل كانال با استفاده از دو تكنيك ورتيسيته و انرژي جنبشي آشفته (TKE) مورد بررسي قرار گرفته است. الگوريتم ارائه‌شده در اين پژوهش، با استفاده از روش آستانه‌گذاري اتسو ، تشخيص هسته ساكن را از طريق تحليل ميدان‌هاي TKE و ورتيسيته فراهم مي‌كند. مقايسه نتايج به‌دست‌آمده از طريق دو تكنيك با روش مرسوم UMZ، همخواني معقولي را در موقعيت مرزهاي هسته به‌دست‌آمده از روش‌هاي TKE و UMZ نشان مي‌دهد. تجزيه و تحليل آمار ميانگين مشروط در مرز هسته به‌دست‌آمده از روش TKE، گراديان‌هاي تيز را براي TKE و ورتيسيته نشان مي‌دهد. با تجزيه و تحليل نتايج، ناحيه‌اي در مركز كانال با تلاطم كم و مرزي مشابه TNTI شناسايي مي‌شود. افزايش عدد رينولدز منجر به افزايش قابل‌توجهي در ناپيوستگي هسته مي‌شود. در بخش دوم پژوهش، TNTI در جت ديواره‌اي آشفته با استفاده از سه روش ورتيسيته، اسكالر غيرفعال و فعال بررسي شده و اين روش‌ها به‌صورت كمي و كيفي با يكديگر مقايسه شدند تا مناسب‌ترين روش شناسايي گردد. با محاسبه ضريب تناوب (γ) و تجزيه و تحليل تابع چگالي احتمال (PDF) براي مكان رابط، همخواني خوبي بين دو روش اسكالر غيرفعال و فعال مشاهده مي‌شود. با بررسي آمار ميانگين مشروط در عرض رابط، مشخص شد كه هر دو روش اسكالر غيرفعال و فعال به‌طور مؤثري TNTI را در جت ديواره‌اي آشفته شناسايي مي‌كنند، درحالي‌كه روش ورتيسيته رابط را در موقعيت بالاتري علامت‌گذاري مي‌كند. در نهايت، سرعت همراه‌بري محلي با استفاده از TNTI به‌دست‌آمده مورد بررسي قرار گرفت.

1403/09/24

The numerical analysis and comparative study of various methods for identifying the boundary between turbulent and non-turbulent flow

9/17/2025 12:00:00 AM

The boundary between turbulent and non-turbulent flow (TNTI) is an important research topic in fluid mechanics and turbulence. This interface plays a key role in the mixing of scalars, mass, momentum, and energy exchange, and understanding it enables better flow control and design optimization. Additionally, in environmental studies, particularly atmospheric and oceanographic flows, this boundary impacts weather patterns and pollutant dispersion. Accordingly, the present study aims to investigate the quiescent core boundary in turbulent channel flow and the TNTI in a turbulent wall jet using coding in MATLAB and Python. In the first part of the study, the presence of the quiescent core in turbulent channel flow is examined using two techniques: vorticity and turbulent kinetic energy (TKE). The proposed algorithm, employing the Otsu thresholding method, enables the detection of the quiescent core through the analysis of TKE and vorticity fields. A comparison of the results obtained through the two techniques with the conventional UMZ method shows reasonable agreement in the location of the core boundaries derived from the TKE and UMZ methods. Conditional mean statistics analysis at the core boundary obtained from the TKE method reveals sharp gradients for TKE and vorticity. By analyzing the results, an area with low turbulence in the center of the channel and a boundary similar to TNTI is identified. An increase in Reynolds number leads to a significant increase in core discontinuity. In the second part of the study, the TNTI in a turbulent wall jet is examined using three methods: vorticity, passive scalar, and active scalar, and these methods are compared quantitatively and qualitatively to identify the most suitable method. By calculating the intermittency parameter (γ) and analyzing the probability density function (PDF) for the interface location, good agreement between the passive and active scalar methods is observed. Analyzing conditional mean statistics across the interface confirms that both passive and active scalar methods effectively identify the TNTI in a turbulent wall jet, while the vorticity method marks the interface at a higher position. Finally, the local entrainment velocity was examined using the obtained TNTI.

مرز جريان آشفته و غير آشفته , اسكالر غير فعال , شبيه سازي مستقيم عددي , پردازش تصوير

Turbulent/non-turbulent interface , passive scalar , direct numerical simulation , image processing

Arman Shadkam Agha

Zeinab Pouransari