J2-3056: Razvoj optične merilne metode za merjenje gladine turbulentnega dvofaznega toka s prosto gladino 

O PROJEKTU

SODELAVCI: doc. dr. Sabina Kolbl Repinc, doc. dr. Gašper Rak, prof. dr. Blaž Stres, prof. dr. Franci Steinman, doc. dr. Benjamin Bizjan

TRAJANJE PROJEKTA: 36 mesecev (od 1.12.2021 do 30.9.2024)

ŠIFRA PROJEKTA: J2-3056

VODILNI PARTNER: UL FGG

VODJA PROJEKTA: doc. dr. Sabina Kolbl Repinc

PARTNERJI: UL FS

Finančni vir: Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS

SICRIS:povezava

Meritve pretoka in višine gladine turbulentnih tokov s prosto gladino so pomemben del hidravličnih meritev. Ključnega pomena so za natančno in zanesljivo merjenje hidravličnih pojavov. Uveljavljene merilne metode v primeru dvofaznega toka ne delujejo ustrezno in ne omogočajo zanesljivih dinamičnih meritev z visoko prostorsko ločljivostjo. V okviru projekta bomo izvedli celovito analizo delovanja treh metod merjenja in sicer laserskega skenerja LIDAR, laserske triangulacije s hitro kamero, 3D vizualizacijskega sistema z dvema ali več hitrimi kamerami za merjenje in modeliranje odboja LIDAR-jevega žarka na turbulentnih aeriranih vodnih tokovih s prosto gladino. Med navedenimi merilnimi metodami sta laserska triangulacija in 3D vizualizacija z dvema ali več hitrimi kamerami omejeni na laboratorijsko uporabo, medtem ko je LIDAR zelo zanesljiva in robustna metoda merjenja, primerna tudi za zunanjo uporabo. Interpretacijo meritev LIDAR-ja bomo izvedli z modeliranjem optičnega toka zaporednih odbojev laserskega žarka iz LIDAR-ja. Poleg meritev lastnosti aerirane vodne gladine bomo merili surovi signal LIDAR-ja z uporabo sistema za digitalizacijo valovnih oblik ali hitrega osciloskopa. Signali bodo nato obdelani na osebnem računalniku z algoritmom za obdelavo signalov v časovnih in frekvenčnih domenah. Na ta način bo izmerjen globinski profil LIDAR-ja ovrednoten in povezan z merjenim referenčnim optičnim sistemom.

Ključni cilji:

Namen projekta je razviti znanje o delovanju laserskega skenerja LIDARja za močno turbulenten in aeriran tok tekočin s prosto gladino. Izdelali bomo model, ki povezuje stanje površine vodne gladine z optičnim tokom žarka LIDAR-ja pri zaporednih odbojih s površin mehurčkov na vodni gladini. Model bo omogočal poznejše izvajanje in delovanje v elektroniki laserskega skenerja WS-LIDAR-ja. Z možnost merjenja trdnih površin in gladin aeriranih turbulentnih vodnih tokov bo nova generacija laserskih skenerjev LIDAR znatno presegla zmožnosti naprav, ki so trenutno na trgu. S podatki meritev turbulentnih aeriranih vodnih tokov bomo izvedli kalibracijo 3D numeričnih modelov CFD, ki brez kakovostnih podatkov za umerjanje ne morejo simulirati takšnih tokov z zadovoljivo natančnostjo. 

Delovni sklopi: WP1. Zahteve in specifikacije WP2. Modeliranje WP3. Eksperimentalno delo WP4. Sinteza in uporaba v WS-LIDAR-ju WP5. Diseminacija, uporaba in prikaz

WP1. Zahteve in specifikacije: Pregled zahtev je izdelan na podlagi pregleda literature, pregleda nedavnih projektov, ki jih financira EU, in nacionalnih projektov ter pogovorov z uporabniki in proizvajalci opreme LIDAR. Naloga 1.1 Zahteve (rezultat: poročilo): Izvedena bo tehnična in ekonomska ocena hidravličnih pojavov z zahtevami merjenja proste gladine. Zahteve bodo analizirane z operativnega vidika končnih uporabnikov. To se bo zgodilo med razpravami s potencialnimi uporabniki, kar bo omogočilo razmejitev zahtev za laboratorijsko in zunanjo uporabo. Naloga 1.2 Specifikacije (rezultat: poročilo): Obravnavali bomo naslednje specifikacije: izbor, lociranje in zaščita senzorjev, zahteve za zajemanje podatkov, hitrost obdelave, natančnost, delovno razdaljo, varnostne zahteve in izbiro dodatne opreme itd. Specifikacije bodo izbrane posebej za raziskovalne in predstavitvene naloge.

WP2. Modeliranje: z interpretacijo zaporednih slik, posnetih s sistemom hitrih kamer, bomo izvedli modeliranje optičnega toka. To bo omogočalo poznavanje lastnosti vodne gladine. Točna določitev razmer je nemogoča zaradi zelo turbulentne narave toka tekočine.

Za modeliranje oblike in lastnosti vodnega toka se uporabljajo numerični CFD modeli. Zaradi računske zahtevnosti v primeru toka z odprto gladino na sotočju dveh tokov z visokimi Fr in Re števili lahko z obstoječimi CFD modeli računamo povprečno površino kot razmerje med plinsko in kapljevito fazo. Če želimo določiti površino kot gibanje posameznih mehurčkov na toku kapljevine, pa naletimo na omejitve, ki so posledica prevelikih skal in premajhne računske moči. Zato tak pristop modeliranja ni praktično izvedljiv in detajlna karakterizacija površin ni mogoča. Rezultate modeliranja optičnega toka bomo uporabili za karakterizacijo površine, to je mejne plasti mešanice plinske in kapljevinske faze. Model optičnega toka bo na ta način služil za zagotovitev robnih pogojev modeliranja s CFD. CFD model skupaj z robnim pogojem iz optičnega modeliranja bo uporabljen za CFD modeliranje širšem območju sotočja.

WP3. Eksperimentalno delo: Cilj WP3 je zagotoviti zanesljivo in reprezentativno orodje za merjenje lastnosti toka in ocenjevanje delovanja danes dostopnih komercialnih LIDAR-jev in prototipnega WS-LIDAR-ja (izdelan bo v okviru WP4) za tok s prosto gladino ter umerjanje CFD modelov iz WP2.

WP4. Sinteza in uporaba v WS-LIDAR-ju: Namen projekta je razviti znanje o delovanju LIDAR-ja za primer turbulentnega aeriranega toka s prosto gladino. Model zaporednih zrcalnih odbojev, razvit v okviru WP2, skupaj z eksperimentalnimi podatki iz WP3, bo omogočil njegov razvoj. Obstoječa znana odprtokodna programska oprema za obdelavo podatkov LIDAR (kot so modeli oblakov točk, digitalni modeli terena ali digitalni modeli površin) omogočajo zgolj interpretacijo izmerjenih podatkov brez kakršnega koli upoštevanja, kako so bili ti podatki pridobljeni na ravni LIDAR-ja. V okviru te delovne skupine bomo izvedli tudi merjenje gladine vode s točkovnim WS-LIDAR-jem.

WP5. Diseminacija, uporaba in prikaz: Prvi cilj WP5 je seznaniti znanstveno skupnost, zlasti na področju hidravličnega inženirstva, merjenja in optike, o pomembnih rezultatih projekta in razširiti eksperimentalne podatke in izvorno kodo. Drugi cilj je zagotoviti, da se vsi rezultati raziskav posredujejo evropski industriji in uporabnikom prek njihovih lokalnih in nacionalnih združenj o rezultatih projekta, ki so pripravljeni za uporabo in o novih izdelkih/tehnikah, ki se lahko pojavijo kmalu po uporabi rezultatov projekta.

POVEZAVE