Orientadores: Guilherme José de Castilho, Rodrigo de Lima Amaral

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Tanques agitados são amplamente utilizados em indústrias para os mais diversos tipos de aplicações. A eficiência do processo de mistura está diretamente relacionada à configuração tanque-impelidor, à capacidade de caracterizar o padrão de escoamento, de compreender os efeitos do escoamento...

Resumo: Tanques agitados são amplamente utilizados em indústrias para os mais diversos tipos de aplicações. A eficiência do processo de mistura está diretamente relacionada à configuração tanque-impelidor, à capacidade de caracterizar o padrão de escoamento, de compreender os efeitos do escoamento turbulento e, consequentemente, seus parâmetros turbulentos e índice de mistura. Uma abordagem experimental amplamente utilizada em dinâmica de fluidos aplicada à tanques agitados é a Velocimetria de Imagem de Partículas (PIV). A combinação de câmeras de alta resolução e lasers torna este método capaz de registrar o campo de velocidade em regimes turbulentos. Nesta técnica, partículas traçadoras imersas seguem o fluxo e o seus deslocamentos são calculados por correlação cruzada de duas imagens consecutivas. Além da tridimensionalidade intrínseca do fluxo, algumas das dificuldades que podem ser encontradas ao aplicar esta técnica estão relacionadas à curvatura do tanque, diferentes índices de refração entre o material de construção e o fluido do tanque, reflexos de luz na parede ou no impelidor e fontes ruidosas dominantes. Além disso, a qualidade das medidas PIV pode ser afetada por fontes de ruído como: movimento para fora do plano, elevados gradientes de deslocamento, distorções de imagem, iluminação de fundo e baixa concentração do traçador. Todos esses fatores podem dificultar as medições e precisam ser resolvidos para garantir resultados confiáveis dos dados PIV. As fontes ruidosas deterioram os campos de velocidade e comprometem as medidas de PIV, principalmente na quantificação dos parâmetros turbulentos. Nesses casos, estratégias são aplicadas para eliminar ou reduzir esses efeitos nos campos de energia cinética turbulenta (TKE). Esses ruídos podem ser compensados e minimizados por meio de técnicas aplicadas no espaço físico (mas muitas vezes é caro ou inviável) ou no espaço da imagem. Este trabalho visa definir estratégias aplicadas no espaço de imagens para otimizar o processamento de medidas PIV na investigação de um tanque agitado, através de diferentes abordagens de pré-processamento, processamento e pós-processamento de imagens. Os métodos de otimização de PIV em tanques agitados propostos neste trabalho são: uso da multicalibração para compensação de distorção de imagem em medições PIV de um tanque agitado sem uso de uma caixa de correção (cunha); proposta de um novo método de correção de campo baseado em informação mútua (MI) e análise de seu desempenho em medições de velocidade e de campos cinéticos turbulentos

Abstract: Stirred tanks are widely used in industries for the most diverse types of applications. The efficiency of the mixing process is directly related to the tank-impeller configuration, to the ability to characterize the flow pattern, to understand the effects of turbulent flow and,...

Abstract: Stirred tanks are widely used in industries for the most diverse types of applications. The efficiency of the mixing process is directly related to the tank-impeller configuration, to the ability to characterize the flow pattern, to understand the effects of turbulent flow and, consequently, its turbulent parameters and mixing index. A widely experimental approach used in fluid dynamics applied to stirred tanks is the particle image velocimetry (PIV). The combination of high-resolution cameras and lasers makes this method capable of recording the velocity field in turbulent regime. In this technique, immersed tracer particles following the flow and their displacement is calculated by the cross-correlation of two consecutive images. Besides the intrinsic three-dimensionality of the flow, some of the difficulties that can be found by applying this technique are related to the tank curvature, different refractive index between tank material and fluid, light reflections from the wall or impeller and dominant noisy sources. Furthermore, the quality of PIV measurements can be affected by noise sources as: out-of-plane motion, high displacement gradients, image distortions, background lighting and low tracer concentration. All those factors can make measurements difficult and need to be solved to ensure reliable results from PIV recordings. The noisy sources deteriorate the velocity fields and compromise the PIV measurements, mainly in the estimation of the turbulent parameters. In those cases, strategies are applied to eliminate or reduce these effects in the turbulent kinetic energy (TKE) fields. These noises can be compensated and minimized through techniques in the physical space (but it is often expensive or unfeasible) or in the image space. This work aims to define strategies in the image space to optimize the processing of PIV measures in the investigation of a stirred tank, through different approaches of pre-processing, processing, and post-processing of PIV images. The PIV optimization methods in stirred tanks proposed in this work are: use of a multicalibration method for image distortion compensation of PIV measurements in a stirred tank without a wedge around it; proposal of a new method of field correction based on mutual information (MI) and analyses of its performance on velocity and turbulent kinetic fields measurements

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