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CPGEI (Doutorado): César Yutaka Ofuchi-04/11/16

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 04/11/2016
das 13h30 até 17h30
Onde Sede Central: Sala C-301
Nome do Contato Prof. Flávio Neves Junior
Participantes Prof. Flávio Neves Junior, Dr. Orientador - UTFPR
Prof. Rigoberto Eleazar Melgarejo Morales, Dr. Co-orientador - UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Flávio Neves Júnior, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Erick de Moraes Franklin, Dr. - UNICAMP
Prof. Eduardo Parente Ribeiro, Dr. - UFPR
Profa. Lucia Valéria de Ramos de Arruda, Dra. - UTFPR
Prof. Daniel Rodrigues Pipa, Dr. - UTFPR
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Medição do perfil de velocidade em escoamentos por técnica ultrassônica utilizando o método da autocorrelação estendida e equipamento para ensaios não destrutivos

Resumo: O interesse na medição do perfil de velocidade na área de fluidodinâmica tem crescido nos últimos anos devido a evolução das técnicas de medição. Neste contexto, a técnica ultrassônica tem se destacado por ser não intrusiva, não invasiva e funcionar mesmo em fluidos opacos. Neste trabalho foi investigado a técnica de ultrassom Doppler para medição de perfis de velocidade, utilizando equipamentos ultrassônicos para ensaios-não-destrutivos (END). Tais equipamentos são mais acessíveis do que equipamentos convencionais de medição de velocidade por ultrassom. Também foi proposto o uso da técnica de autocorrelação estendida (EAM), para medição de velocidades além do limite de Nyquist. Esta restrição existe na grande maioria dos medidores, que utilizam a técnica convencional de autocorrelação (ACM). O EAM combina o ACM com o método da correlação cruzada (CCM), outro estimador amplamente conhecido, mas que não é muito utilizado devido a seu alto custo computacional. Desta forma, o EAM consegue medir velocidades maiores com um custo computacional intermediário, que não é tão baixo quanto o ACM e nem tão alto quanto o CCM. Para adquirir e processar os dados obtidos, foi desenvolvido um sistema para aquisição e processamento dos sinais baseado na linguagem LabView. O pulsador ultrassônico END e os estimadores de velocidade por EAM, CCM e ACM foram validados medindo o perfil de velocidade em um cilindro girante, capaz de fornecer velocidades controladas de fácil solução analítica. Os resultados mostram erros médios quadráticos abaixo de 2%, validando o equipamento e a técnica. O EAM também mediu velocidades acima no limite de Nyquist a um custo computacional 15 vezes menor do que o CCM. Na segunda parte deste trabalho, a técnica ultrassônica de medição de velocidade foi aplicada para medição de escoamentos multifásicos em tubulações, tema de grande interesse da indústria de petróleo e gás. Um escoamento vertical líquido-gás-sólido foi analisado com o mesmo equipamento END. Primeiramente, o perfil de velocidade do escoamento liquido-sólido em regime laminar, foi medido e validado utilizando um equipamento Coriolis como referência. Em seguida, foram realizados testes adicionando gás ao escoamento. As velocidades superficiais de líquido e gás foram variadas para gerar os padrões de escoamento tipo bolhas dispersas, intermitente e intermitente aerado. Os resultados foram comparados a imagens de uma filmadora de alta velocidade. Foram obtidos parâmetros como perfil de velocidade das bolhas dispersas, velocidade do filme de líquido e velocidade da mistura dependendo do padrão de escoamento analisado. Assim, a medição de velocidade por ultrassom Doppler, utilizando um equipamento de END, foi aplicado com sucesso em dois problemas de fluidodinâmica.
Palavras-chave: Ultrassom Doppler. Perfil de velocidade. Escoamentos multifásicos.

Ultrasonic velocity profiler applied to flow measuring using an extended autocorrelation method and non-destructive systems

Abstract: Interest in knowing the instantaneous velocity profile in fluid dynamics has grown in recent years as new flow visualization techniques are improving. In this context, the ultrasonic Doppler velocity profiler (UVP) has desirable characteristics, as it is non-invasive, works with opaque liquids, and it is portable and easy to install if compared with other velocity profiler methods. In this work, the use of nondestructive ultrasonic devices in the UVP field is investigated. NDT systems are widely available and have lower cost if compared to traditional ultrasonic velocity profiler systems. The use of an extended autocorrelation method (EAM) for ultrasonic velocity estimation beyond Nyquist limit are also evaluated. The Nyquist limit causes a restriction on the maximum measurable velocity of the traditional autocorrelation method (ACM), present in most of ultrasonic velocity profiler systems. EAM combines the ACM technique with cross-correlation method (CCM) which is a well-established velocity estimator that does not suffer with Nyquist limit. However, the technique has a high computational cost that limits real time applications. EAM has the advantage of measure velocities beyond the Nyquist limit but with a lower computational cost than CCM. To evaluate the NDT device and the velocity estimation techniques ACM, CCM and EAM, a data acquisition system and a signal-processing unit based on LabView language were developed. The velocity profile of a rotating cylinder was used to validate all measurements. The techniques ACM, CCM and EAM successfully measured velocities within Nyquist limit with less than 2% deviation, validating the NDT system. EAM also measured velocities beyond Nyquist limit with a computational performance 15 times faster than CCM. The ultrasonic technique was also applied to measure the velocity profile of a multiphase flow in a pipeline, which are of great interest in oil and gas industry. Tests within a multiphase flow composed by different combinations of oil/sand/nylon-particles and gas were conducted in a vertical rig. A high-speed camera was used to validate the measurements. First the ultrasonic velocity profile measured was validated in a liquid-solid flow by using a Coriolis flowmeter as a reference. Next, superficial liquid and gas velocity were controlled in order to obtain different flow patterns such as bubbly flow and slug flow. The technique measured the bubbles velocity, the mixture velocity and the liquid film velocity depending on the flow pattern. Finally, the ultrasonic NDT system was successfully applied to investigate two different fluid engineering problems.
Keywords: Ultrasound Doppler. Velocity Profile. Multiphase flow.

Lista de publicações:

OFUCHI, C. Y.; COUTINHO, F. R.; NEVES, F. JR; ARRUDA, L. V. R.; MORALES, R.E.M. Evaluation of an Extended Autocorrelation Phase Estimator for Ultrasonic Velocity Profiles Using Nondestructive. Sensors, 2016, v. 16, 1250.

OFUCHI, C. Y.; COUTINHO, F. R.; NEVES, F. JR; ARRUDA, L. V. R.; MORALES, R.E.M. Extended Autocorrelation Velocity Estimator Applied to Fluid Engineering. In: Proceedings of the 9th International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering, 2014 august 27-29, Strasbourg, France.

OFUCHI, C. Y.; COUTINHO, F. R.; RASIA, R. S.; ARRUDA, L. V. R.; NEVES, F. JR; MORALES, R.E.M. A Flexible Ultrasonic Velocity Profiler Developing Environment. In: Proceedings of the 2014 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (IM2CT), 2014 may 12-15, Montevideo, Uruguay.

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