Desenvolvimento e validação de simulador de tomógrafo óptico para escoamentos bifásicos

• Autor(a) principal: Bernardelli, Rafael Sturaro
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28828
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAIS; 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; Engenharia Elétrica

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.