Original paper

Flow field detection using acoustic travel time tomography

Barth, Manuela; Raabe, Armin; Arnold, Klaus; Resagk, Christian; du Puits, Ronald

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 4 (2007), p. 443 - 450

published: Aug 30, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0216

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ArtNo. ESP025011604014, Price: 29.00 €

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Abstract

Acoustic travel time tomography uses the dependence of sound speed on temperature and flow properties along the propagation path to measure these parameters. An algorithm is introduced that is capable of resolving the two-dimensional flow field within a specified measuring area. Different flow fields have been simulated to explore the reconstruction properties of the algorithm. Furthermore, an experiment within the Barrel of Ilmenau has been carried out, which demonstrates that the acoustic tomographic method is able to detect flow fields in a closed convection chamber. The simulations reveal that the vector tomographic algorithm can resolve the flow field characteristics speed and direction. Furthermore it is demonstrated that the distribution of sound sources and receivers has to be homogeneous around the measuring site. For the reconstruction of flow distributions, this requirement is even more important compared to temperature reconstructions, since information along inclined sound ray paths within each grid cell are needed to reconstruct the flow vector properly.

Kurzfassung

Die akustische Laufzeittomographie nutzt die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Signale von der Temperatur und Strömung entlang des Ausbreitungsweges, um Rückschlüsse auf diese Größen in einem Untersuchungsgebiet zu ziehen. In diesem Artikel wird ein Verfahren vorgestellt, welches es erlaubt, Verteilungen der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines Messgebietes zu erfassen. Zur Einschätzung der Rekonstruktionsgenauigkeit der Verteilungen wurden verschiedene Strömungssituationen simuliert. Die simulierten Daten dienten als Eingangsgrößen für die tomographische Rekonstruktion. Des Weiteren wird eine experimentelle Anwendung des Verfahrens beschrieben, welche der Erfassung turbulenter Strukturen in einem Großexperiment der TU Ilmenau (Ilmenauer Fass) diente. Die Rekonstruktion simulierter Verteilungen hat gezeigt, dass der Algorithmus in der Lage ist, die Eigenschaften von Strömungsverteilungen wiederzugeben. Darüber hinaus wird erläutert, dass die Anordnung der Schallsender und Empfänger einen wesentlichen Einfluss auf das Rekonstruktionsergebnis der Verteilungen hat. Um das Geschwindigkeitsfeld verlässlich zu bestimmen, müssen daher die Sender und Empfänger homogen um die gesamte Messfläche angeordnet werden, so dass das gesamte Messgebiet von Schallstrahlen unter verschiedenen Winkeln durchlaufen wird.