مطالعه‌اي بر روش‌هاي شناسايي ساختارهاي منسجم در جريان كانال روباز با بستر غير صاف (نقدي بر آناليز كوآدرانت)

Detection of Coherent Structures in Non-smooth Open Channel Flow (Comment on Quadrant Analysis)

ساختارهای منسجم در جریان­های لایه مرزی موجب انتقال مومنتم­ های جریان و تولید انرژی آشفتگی می­شوند. در شرایط توسعه یافتگی كامل جریان و در بالای زیر لایه لزج، ساختارهای منسجمی مانند پدیده­های جهش و جاروب و نیز گردابه­ های سنجاقی تشكیل می­شوند. به منظور شناسایی این ساختارهای آشفته روش­های گوناگونی مانند آنالیز كوآدرانت و بررسی مقادیر لحظه­ای سرعت سیال مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مطالعه حاضر به بررسی دقت و كارایی این روش­ها در جریان سطح آزاد روی بستر غیر صاف پرداخته می­شود. بدین منظور میدان جریان در یك بستر شنی به روش سرعت ­سنجی تصویری ذرات اندازه­ گیری شده است. بررسی نتایج مطالعه حاضر نشان می­دهد كه با وجود قابلیت هر دو روش در تشخیص و شناسایی ساختارهای جهش و جاروب در نقاط با فاصله اندك از بستر، نتایج حاصله در نزدیكی و در بین المان­های زبر بستر با یكدیگر متفاوت می ­باشند. این واقعیت از آنجا ناشی می­ شود كه از نقطه نظر مفهومی به علت غیرصفر بودن مؤلفه قائم متوسط سرعت و نیز ماهیت سه بعدی جریان در شرایط بستر غیر صاف، استفاده از روش كوآدرانت صحیح به نظر نمی ­رسد. برهمین اساس پیشنهاد می­ شود كه در شرایط بستر غیر صاف برای تشخیص ساختارهای جهش و جاروب از روش بررسی مقادیر لحظه­ ای سرعت جریان و یا روش بهبود یافته آنالیز كوآدرانت استفاده شد.  

Coherent structures in wall turbulence boundary layer transport momentum and provide a means of producing turbulent kinetic energy. In fully developed flow and above viscous sub-layer, different coherent structures such as ejection and sweep and hairpin vortex can be formed which can be detected by various detection methods such as quadrant analysis and analysis of instantaneous velocity values. In the present study, we aim to explore the accuracy and efficiency of these methods in non-smooth bed free surface flows. To this end, laboratory measurements of flow field above a gravel bed were carried out using particle image velocimetry. Despite the fact that the results of both techniques above roughness elements are in agreement, it was not possible to see any coherency between the results of these techniques just between roughness elements. Such incoherency can be resulted by non-zero mean vertical velocity and three-dimensional nature of flow in non-smooth bed condition which makes application of quadrant analysis in this type of flow challenging. Therefore, using analysis of instantaneous velocity values or modified quadrant analysis can be suggested for correct estimation of sweep and ejection.