TOMOGRAPHIC PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (TOMOGRAPHIC-PIV): É POSSÍVEL MEDIR CONCENTRAÇÃO DE PARTÍCULAS?

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1 CONGRESSO BRASILEIRO DE SISTEMAS PARTICULADOS São Carlos-SP TOMOGRAPHIC PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (TOMOGRAPHIC-PIV): É POSSÍVEL MEDIR CONCENTRAÇÃO DE PARTÍCULAS? Rodrigo de Lima Amaral ( Prof. Dr. Guilherme. J. Castilho ) Prof. Dr. Sávio Souza Venâncio Vianna Prof. Dr. Milton Mori (mori@feq.unicamp.br)

2 Introdução Distribuição de velocidade Distribuição da fase particulada Identificação de Padrões - Validação de modelos numéricos ou fenomenológico; - Avaliação de Efeitos Técnicas Experimentais

3 Introdução Figura 2 Tomographic-PIV (Amaral, 2013a).

4 Objetivo É POSSÍVEL MEDIR CONCENTRAÇÃO DE PARTÍCULAS POR TOMOGRAPHIC-PIV? Tomographic-PIV (Amaral, 2013b)

5 CONGRESSO BRASILEIRO DE SISTEMAS PARTICULADOS São Carlos-SP Classificação PIV

6 Classificação PIV Dimensão D e Componente -C 2D-2C 3D-3C 4D-3C PIV Clássico 2D Tomographic-PIV Time-Resolved Tomographic-PIV 2D-3C Stereo-PIV

7 CONGRESSO BRASILEIRO DE SISTEMAS PARTICULADOS São Carlos-SP Princípio de Funcionamento da técnica PIV

8 Princípio de Funcionamento PIV C2 C3 C1 Placa de calibração B1 A Gravação Câm. B1 Câm.B2 Calibração Função de mapeamento Pré-processamento Reconstrução Tomográfica C4 Seção Transparente B2 Laser Câ m. A Correlação PIV C2 C1 Direção do escoamento B1 A Câm.C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Gravação t t+dt Campo 2D - 2C (Câmera A) Campos 2D - 2C (Câmera B1 e B2) Reconstrução Geométrica C3 C4 Seção Transparente B2 Laser Câm.B1 Câm.A Câm.B2 t t+dt t t+dt Campo vetorial 2D - 2C Campo vetorial 2D - 3C Campo vetorial 3D - 3C Câm. C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Figura 3 - Princípio de Funcionamento do PIV 2D Clássico, Stereo-PIV e Tomographic-PIV.

9 Princípio de Funcionamento PIV C2 C3 C1 Placa de calibração B1 A Gravação Câm. B1 Câm.B2 Calibração Função de mapeamento Pré-processamento Reconstrução Tomográfica C4 Seção Transparente B2 Laser Câ m. A Correlação PIV C2 C1 Direção do escoamento B1 A Câm.C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Gravação t t+dt Campo 2D - 2C (Câmera A) Campos 2D - 2C (Câmera B1 e B2) Reconstrução Geométrica C3 C4 Seção Transparente B2 Laser Câm.B1 Câm.A Câm.B2 t t+dt t t+dt Campo vetorial 2D - 2C Campo vetorial 2D - 3C Campo vetorial 3D - 3C Câm. C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Figura 3 - Princípio de Funcionamento do PIV 2D Clássico, Stereo-PIV e Tomographic-PIV.

10 Princípio de Funcionamento do Tomographic-PIV C2 C3 C1 Placa de calibração Gravação Calibração Função de mapeamento Pré-processamento Reconstrução Tomográfica C4 Seção Transparente Correlação PIV C1 Direção do escoamento Câm. C1Câm. C2 Câm. C3Câm. C4 Gravação C2 C3 C4 Seção Transparente Laser t t+dt Campo vetorial 3D - 3C Câm. C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Figura 4 - Princípio de Funcionamento do Tomographic-PIV.

11 CONGRESSO BRASILEIRO DE SISTEMAS PARTICULADOS São Carlos-SP Reconstrução Tomográfica

12 Princípio da Reconstrução Tomográfica Espaço Físico Imagens 2D Espaço de Imagem t Z Y X y x Z Y X t + dt y x Figura 5 Princípio da Reconstrução Tomográfica (Adaptado de Amaral 2013b)

13 Concentração de partícula C p = N R? Espaço Físico Imagens 2D Espaço de Imagem ppp [imagens de partículas por pixel] Y Y y Z X Z X -3 C p [partículas.mm ] x N R [imagens de partículas reconstruídas por vo xel] Figura 6 Diferentes concentrações de partículas em sistemas Tomographic-PIV (Adaptado de Amaral 2013b)

14 Reconstrução Tomográfica Pixel Direção do Escoamento Partícula traçadora Volume reconstruído Luz Lazer Espaço de Imagem Figura 7 Gravação Tomographic-PIV e Reconstrução Tomográfica

15 CONGRESSO BRASILEIRO DE SISTEMAS PARTICULADOS São Carlos-SP Fontes de erros em sistemas Tomographic-PIV

16 Fontes de erros na Reconstrução Tomográfica C2 C3 C1 Placa de calibração Gravação Calibração Função de mapeamento Pré-processamento Reconstrução Tomográfica C4 Seção Transparente Correlação PIV C1 Direção do escoamento Câm. C1Câm. C2 Câm. C3Câm. C4 Gravação C2 C3 C4 Seção Transparente Laser t t+dt Campo vetorial 3D - 3C Câm. C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Figura 8 Fontes de erros na reconstrução tomográfica

17 Erros na Reconstrução Tomográfica: Arranjo das câmeras e gravação C2 C3 C1 Placa de calibração Gravação Calibração Função de mapeamento Pré-processamento Reconstrução Tomográfica C4 Seção Transparente Correlação PIV C1 Direção do escoamento Câm. C1Câm. C2 Câm. C3Câm. C4 Gravação C2 C3 C4 Seção Transparente Laser t t+dt Campo vetorial 3D - 3C Câm. C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Figura 8 Fontes de erros na reconstrução tomográfica

18 Erros na Reconstrução Tomográfica: Arranjo das câmeras e gravação a) b) L3 β = 60 o β = 40 o L1 L4 L2 20 o Y Z 40 o 80 o 20 o 50 mm Linha de visão Partícula Imagem de partícula reconstruída Voxel Z Y X Figura 9 (a) Estudo do arranjo das câmeras (Amaral, 2013b). (b) Efeito do ângulo de abertura na reconstrução da imagem de partícula (Adaptado de Scarano (2013) por Amaral (2013)).

19 Erros na Reconstrução Tomográfica: Arranjo das câmeras e gravação Figura 10 Simulação da distribuição da imagem de partícula reconstruída ideal tendo como base uma representação 3D de uma bolhas Gaussiana (Fahringe and Thurow, 2014). Figura 11 Reconstrução Tomográfica utilizando MART da mesma fonte de frames de imagens da Figura 10 (Fahringe and Thurow, 2014).

20 Erros na Reconstrução Tomográfica: Efeito da calibração C2 C3 C1 Placa de calibração Gravação Calibração Função de mapeamento Pré-processamento Reconstrução Tomográfica C4 Seção Transparente Correlação PIV C1 Direção do escoamento Câm. C1Câm. C2 Câm. C3Câm. C4 Gravação C2 C3 C4 Seção Transparente Laser t t+dt Campo vetorial 3D - 3C Câm. C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Figura 8 Fontes de erros na reconstrução tomográfica

21 Erros na Reconstrução Tomográfica: Efeito da calibração Figura 12 - Linhas de visão das quatros câmeras para uma função de mapeamento perfeita (linha pontilhada) (Amaral, 2013b).

22 Erros na Reconstrução Tomográfica: Efeito da calibração N [Partículas/ volume de interrogação] RVI Erro > 0,1 pixel Erro < 0,1 pixel (a) (b) Figura 13 Iso-Surfaces da concentração de imagem de partícula reconstruída por volume de interrogação (a) sem e (b) com o procedimento de autocalibração no mesmo instante (AMARAL, 2013b)

23 Erros na Reconstrução Tomográfica: Concentração de traçador C2 C3 C1 Placa de calibração Gravação Calibração Função de mapeamento Pré-processamento Reconstrução Tomográfica C4 Seção Transparente Correlação PIV C1 Direção do escoamento Câm. C1Câm. C2 Câm. C3Câm. C4 Gravação C2 C3 C4 Seção Transparente Laser t t+dt Campo vetorial 3D - 3C Câm. C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Figura 8 Fontes de erros na reconstrução tomográfica

24 Erros na Reconstrução Tomográfica: Concentração de traçador Figura 14 Reconstrução de 2 imagens de partículas (Baseado em Elsinga 2008)

25 Erros na Reconstrução Tomográfica: Concentração de traçador Figura 15 - (a) Formação de partículas fantasmas em uma configuração de duas câmeras, (b, c e d) Solução da reconstrução para duas partículas numa configuração de duas câmeras (Baseado em Elsinga, 2008)

26 Erros na Reconstrução Tomográfica: Concentração de traçador Figura 16 - Efeito do aumento da concentração de partículas na formação de partículas fantasmas (Adaptado de Atkinson e Soria, 2009)

27 Fontes de erros na Reconstrução Tomográfica C2 C3 C1 Placa de calibração Gravação Calibração Função de mapeamento Pré-processamento Reconstrução Tomográfica C4 Seção Transparente Correlação PIV C1 Direção do escoamento Câm. C1Câm. C2 Câm. C3Câm. C4 Gravação C2 C3 C4 Seção Transparente Laser t t+dt Campo vetorial 3D - 3C Câm. C1 Câm. C2 Câm. C3 Câm. C4 Figura 8 Fontes de erros na reconstrução tomográfica

28 CONGRESSO BRASILEIRO DE SISTEMAS PARTICULADOS São Carlos-SP Conclusão

29 Conclusão É POSSÍVEL MEDIR CONCENTRAÇÃO DE PARTÍCULAS POR TOMOGRAPHIC-PIV? Tomographic-PIV (Amaral, 2013b)

30 Conclusão É POSSÍVEL MEDIR CONCENTRAÇÃO DE PARTÍCULAS POR TOMOGRAPHIC-PIV? Atualmente... Não! Tomographic-PIV (Amaral, 2013b)

31 CONGRESSO BRASILEIRO DE SISTEMAS PARTICULADOS São Carlos-SP Obrigado

32 CONGRESSO BRASILEIRO DE SISTEMAS PARTICULADOS São Carlos-SP Rodrigo de Lima Amaral ( A Tech Prof. Dr. Guilherme. J. Castilho (guilhermejc@feq.unicamp.br) LPMP Prof. Dr. Sávio Souza Venâncio Vianna Coordenador do (savio@feq.unicamp.br) Prof. Dr. Milton Mori Coordenador do PQGe (mori@feq.unicamp.br)

33 Referências - AMARAL, R. L. Efeito da autocalibração volumétrica para PIV tomográfica no campo de velocidade em uma seção de um riser de um leito fluidizado circulante. Apresentação da Dissertação de Mestrado. FEQ-UNICAMP. Campinas-SP, 2013a. - AMARAL, R. L. Efeito da autocalibração volumétrica para PIV tomográfica no campo de velocidade em uma seção de um riser de um leito fluidizado circulante. Dissertação de Mestrado. FEQ-UNICAMP. Campinas-SP, 2013b. - ATKINSON, C.; SORIA, J. An efficient simultaneous reconstruction technique for tomographic particle image velocimetry. Experiments in Fluids, v. 47, n. 4-5, p , ELSINGA, G. Tomographic particle image velocimetry and its application to turbulent boundary layers. Thesis. University of Technology Delft, Fahringe, T. W. and Thurow, B. S. 3D Particle Position Reconstruction Accuracy in Plenoptic PIV. 52nd Aerospace Sciences Meeting. National Harbor, Maryland SCARANO, F. Tomographic PIV: principles and practice. Measurement Science and Technology, v. 24, n. 1, p , 2013.