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CPGEI (Doutorado): Fábio Rizental Coutinho-01/08/14

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 01/08/2014
das 13h00 até 17h00
Onde Sede Central: Sala C-301
Nome do Contato Prof. Flávio Neves Jr
Participantes Prof. Flávio Neves Jr, Dr. - Orientador UTFPR
Prof. Rigoberto E. M. Morales, Dr. - Co-orientador UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Flávio Neves Jr, Dr. - Presidente UTFPR
Prof. Jader Riso Barbosa Jr, Dr. - UFSC
Prof. Daniel Rodrigues Pipa, Dr. - UTFPR
Profa. Lúcia Valéria Ramos de Arruda, Dra. - UTFPR
Valdir Estevam, Dr. - Petrobrás
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Um novo método ultrassônico para detecção da interface em escoamentos bifásicos ar-água

Resumo: Técnicas de medição de velocidade baseadas em ultrassom vem sendo muito utilizadas atualmente para o estudo de escoamentos de fluidos devido ao seu caráter não intrusivo. Em escoamentos bifásicos ar-água, a grande dificuldade na aplicação dessa metodologia é resolver a que fase pertence a velocidade medida. Esse problema envolve a tarefa de resolver a posição da interface líquido-gás. O algoritmo de estimação de velocidade denominado de Velocity Matched Spectrum (VMS) se diferencia dos demais por apresentar como resultado um espectro de velocidades para cada volume amostral interrogado. Neste trabalho um método baseado no formato dessa curva espectral da velocidade é utilizado para gerar um mapeamento espaço-temporal, o qual, após aplicação de filtros espaciais, resulta na detecção acurada da posição da interface água-ar. Para isso, um sistema de medição que utiliza o estimador VMS foi desenvolvido e validado através de um experimento de escoamento em cilindro girante e de um escoamento horizontal monofásico turbulento. A ascensão de bolhas em líquido estagnado apresenta dificuldades na detecção da fronteira água-ar devido às mudanças abruptas na inclinação interface da bolha no seu movimento de subida. É mostrado que a técnica proposta apresenta um erro RMS entre 1,71 a 3,39 e uma probabilidade de falha na detecção e de falsa detecção entre 0,89% a 11,9% na determinação da posição espaço-temporal da interface água-ar de um escoamento externo de ascensão de bolhas em líquido estagnado. Mostra-se que a exatidão na determinação é mantida mesmo no caso de um transdutor obstruído por uma chapa metálica, ou então, emitindo externamente a uma tubulação de acrílico.
Palavras-chave: Ultrassom, Método Doppler, Escoamento Multifásico, Escoamento Bifásico Gás-líquido.

A new method for ultrasound detection of interfacial position in gas-liquid two-phase flow

Abstract: Ultrasonic measurement techniques for velocity estimation are currently widely used in flow study due to its non-intrusive nature. The difficulty on the application of this methodology to a two-phase air-water flow is in deciding from which phase the velocity data measured comes from. This problem involves the task of evaluating gas-liquid interface position. The algorithm known as Velocity Matched Spectrum (VMS) is a velocity estimator that stands out from other methods by returning a spectrum of velocities for each interrogated volume sample. In this work a method based on velocity spectrum curve shape is used to generate a spatial-temporal mapping, which, after spatial filtering, yields an accurate contour of the air-water interface. Therefore, a measurement system that implements VMS estimator was developed and validated through a rotating cylinder and a horizontal single-phase pipe turbulent flow experiments. Interface detection of free-rising bubbles in quiescent liquid presents some difficulties for interface detection due to abrupt changes in interface inclination. It is showed that the proposed technique yields a RMS error between 1.71 to 3.39 and a probability of detection failure or false detection between 0.89% to 11.9% in determining the spatial-temporal gas-liquid interface position in the flow of free rising bubbles in stagnant liquid. This result is valid for both free path and with transducer emitting through a metallic plate or a Plexiglas pipe.
Keywords: Ultrasound, Doppler Method, Multiphase flow, Gas liquid two-phase flow.  

Lista de publicações:

COUTINHO, F. R.; OFUCHI, C. Y.; ARRUDA L. V. R.; NEVES Jr, F.; MORALES, R. E. M. A New Method for Ultrasound Detection of Interfacial Position in Gas-Liquid Two-Phase Flow.Sensors, 14, 9093-9116, 2014.

COUTINHO, F. R.; OFUCHI, C.Y.; RASIA, R. S.; ARRUDA L. V. R.; NEVES Jr, F.; MORALES, R. E. M. A flexible ultrasonic velocity profiler development environment. In: 2014 IEE – International Instrumentations and Measurement Technology Conference; 05/2014.

COUTINHO, F.R. OFUCHI, C.Y., ARRUDA L. V. R.; NEVES Jr, F.; MORALES, R. E. M. Accuracy evaluation of a crossed beam double element transducer for ultrasound velocity profiler application. In: 9th International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering.

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