The ability to locate the source of a scalar/contaminant emitted in a turbulent flow – using as data the scalar's concentration measured within the resulting scalar plume and (optionally) the relative velocity of the fluid with respect to the searcher – is relevant to two quite distinct problems: i) the ability of animals to detect the scent of food or mating partners, and ii) the ability of authorities to locate a release (accidental, terrorist, or other) of a noxious (chemical, biological, or radioactive) substance. The majority of the relevant research in this area has been performed by biologists or roboticists, with little input from fluid dynamicists. Given that the vast majority of relevant flows are turbulent, the present work focuses on accurate and efficient scalar/contaminant source locating therein, by attempting to incorporate knowledge of turbulent flows. To this end, the scalar under consideration is temperature and it is emitted from a line source at the centreline of a fully developed, high-aspect-ratio, turbulent channel flow with a Reynolds number (Re) of 10,800. It is shown that an optimal search algorithm has to balance the trade-offs between explorative and exploitive search phases, since the information available to the searcher is inherently patchy and intermittent. Algorithms which use a root-mean-square (rms)-to-mean ratio of the scalar concentration as the primary search parameter are found to be superior in accuracy, speed, and robustness to noise in a one-dimensional search domain.It is furthermore shown that the maximum benefit of incorporating the physics of turbulent flows is achieved in a two- (or three-) dimensional search domain, and preliminary results indicate that an infotactic search algorithm using a five-parameter plume model for either the mean scalar concentration or rms fluctuation is expeditious and accurate. / La localisation de l'origine d'un contaminant/scalaire émis dans un écoulement turbulent – en utilisant la concentration mesurée du scalaire dans le panache et (facultativement) la vitesse du fluide relative au chercheur – se rapporte à deux problèmes distincts: i) la capacité des animaux à détecter le parfum de la nourriture ou des partenaires sexuels, et ii) la capacité des autorités à localiser un dégagement (accidentel, terroriste ou autre) d'une substance nocive (chimique, biologique ou radioactive). La majorité des travaux de recherche pertinents a été réalisée par des biologistes ou les roboticiens, avec peu d'apport des méchaniciens des fluides. Étant donné que la grande majorité des écoulements concernés sont turbulents, le présent travail se concentre sur la localisation précis et efficace de l'origine d'un scalaire, en intégrant les connaissances des écoulements turbulents. À cette fin, un scalaire (la température) est émis par une source linéaire au centre d'un écoulement en canal, pleinement développé, de grand rapport hauteur/largeur et avec un nombre de Reynolds (Re) de 10.800. Il est démontré que l'algorithme de recherche optimal doit atteindre un juste équilibre entre les phases de recherche exploratoires et exploiteuses, puisque les données à la disposition du chercheur sont intrinsèquement inégales et intermittentes. L'utilisation d'un rapport de l'écart type à la moyenne (rms) de la concentration du scalaire comme paramètre de recherche primaire donne des algorithmes de recherche supérieurs en termes de précision, vitesse et insensibilité au bruit en domaine de recherche unidimensionnel.L'avantage maximal de l'intégration de la physique des écoulements turbulents est réalisé dans un domaine de recherche à deux (ou trois) dimensions, et les résultats préliminaires indiquent qu'un algorithme de recherche infotactique à l'aide d'un modèle de panache à cinq paramètres (pour soit la concentration moyenne scalaire ou l'écart type est rapide et précis.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117179 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Taylor, Rowan |
| Contributors | Laurent B Mydlarski (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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