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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28828| Título: | Desenvolvimento e validação de simulador de tomógrafo óptico para escoamentos bifásicos |
| Título(s) alternativo(s): | Development and validation of an optical tomography simulator for two-phase flows |
| Autor(es): | Bernardelli, Rafael Sturaro |
| Orientador(es): | Silva, Marco Jose da |
| Palavras-chave: | Escoamento bifásico Tomografia óptica Métodos de simulação Redes neurais (Computação) Algorítmos genéticos Two-phase flow Optical tomography Simulation methods Neural networks (Computer science) Genetic algorithms |
| Data do documento: | 31-Mai-2021 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | BERNARDELLI, Rafael Sturaro. Desenvolvimento e validação de simulador de tomógrafo óptico para escoamentos bifásicos . 2021. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. |
| Resumo: | Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos industriais, como por exemplo nas atividades de exploração e produção de óleo e gás, em usinas termelétricas e em reatores químicos. Isso motiva o desenvolvimento de técnicas de sensoriamento, controle e caracterização desses fenômenos. A tomografia é uma classe de técnicas de sensoriamento que visa gerar imagens de seções transversais de escoamentos bifásicos. Dentre elas, a tomografia óptica destaca-se pelo potencial baixo custo do equipamento, por apresentar alta resolução temporal, e, sobretudo, por ser uma técnica não-intrusiva. Essa técnica, entretanto, necessita de um método de reconstrução para transformar as medições do sensor na imagem da seção transversal do escoamento. As técnicas tradicionalmente utilizadas para a tomografia óptica apresentam limitações, e essa é a grande motivação para o desenvolvimento de novos métodos de reconstrução. O horizonte desta pesquisa é utilizar a simulação do sensoriamento da tomografia óptica como base para um novo método. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho é desenvolver e validar a simulação acurada do transporte da luz que ocorre no interior do sistema óptico do tomógrafo acoplado a escoamentos água–ar, objeto investigado pelo sensor. Os dados sintéticos gerados pela simulação podem ser usados para treinar novos modelos, ou ainda, o próprio simulador pode ser incorporado em um algoritmo de reconstrução. Em específico, esse trabalho avança na validação numérica do simulador com base em experimentos reais, além de realizar avanços no software de simulação. O simulador foi acelerado em GPU e utiliza Path Tracing, um método Monte Carlo para simulação do transporte de luz. Usando um tomógrafo óptico infravermelho, foram feitos ensaios com phantoms e com escoamentos água–ar em uma coluna de borbulhamento. A validação numérica do simulador foi realizada através da comparação da medição de ensaios com suas respectivas simulações. Como referência para o simulador, primeiro foram construídos modelos tridimensionais com base nas dimensões dos phantoms, e em seguida, a geometria tridimensional do escoamento foi gerada através de medições de um sensor Wire-Mesh posicionado à jusante do tomógrafo óptico. Os resultados obtidos a partir de phantoms se mostraram satisfatórios, exibindo valores de PSNR maiores que 20 dB, enquanto os testes realizados com dados de escoamento se mostraram inconclusivos. O resultado dos escoamentos não pôde ser avaliado porque a deformação das superfícies interfaciais água–ar no trajeto entre o tomógrafo e o sensor Wire-Mesh inviabilizou as comparações numéricas. Apesar disso, os resultados presentes ensejam o uso do simulador apresentado para auxiliar no desenvolvimento de algoritmos avançados de reconstrução, visando superar as limita- ções apresentadas pelos métodos tradicionais de reconstrução tomográfica quando aplicados à tomografía óptica de escoamentos bifásicos. |
| Abstract: | Two-phase flows are found in several industrial processes, such as oil and gas exploration and production, in thermoelectric plants and in chemical reactors. This motivates the development of technologies for sensing, control and characterization of those phenomena. Tomography is a class of sensing technologies that aims to image cross sections of two-phase flows. Among them, optical tomography stands out because of its low cost, high temporal resolution and mainly because it is an non-intrusive technique. However, this technique calls for a reconstruction method, in order to turn the sensor readouts into cross-sectional images of the flow. The techniques traditionally used for optical tomography exhibit limitations, and this is the motivation for the development of new reconstruction techniques. The employment of simulated optical tomography sensing as the basis for a new method is on the horizon of this research. In this sense, this work aims at the development and validation of the accurate simulation of the light transport phenomenon that takes place inside the optical tomography system coupled with the air–water flow, the object of sensing. The synthetic data generated by the simulation can be used to train new reconstruction models. Alternatively, the simulator itself can be embedded in a reconstruction algorithm. In detail, this work makes progress on the numeric validation for the simulator using real experiments as reference, in addition to advancing on the development of the simulation software. The simulator is GPU-accelerated, and it uses Path Tracing, a Monte Carlo method for light transport simulation. Using an infrared optical tomography system, measurements of phantoms as well as measurements of air–water flows in a bubble column were performed. The numerical validation for the simulator was carried out by comparing the measurements with their respective simulations. As reference for the simulator, three-dimensional models were built based on the geometry of the phantoms. Subsequently, the three-dimensional geometry of the air–water flow was generated using measurements from a Wire-Mesh sensor placed downstream the optical tomography system. The results based on the phantoms proved to be satisfactory, with PSNR values above 20 dB, whereas the tests made with measured flow data were inconclusive. The results of the flow experiments could not be evaluated. This is due to the fact that the deformation of the air–water interfacial surfaces on the way from the tomography sensor to the Wire-Mesh sensor rendered the numeric comparisons not viable. Despite that, the overall results encourage the adoption of the presented simulator to support the development of advanced reconstruction algorithms in an effort to overcome the limitations presented by the usage of traditional tomography reconstruction methods when applied to the optical tomography of two-phase flows. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28828 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
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