Dynamische Strukturverfolgung in Mehrphasenströmungen mittels ultraschneller Röntgentomographie und bildgestützter Scanführung (ROOF)
Hintergrund:
Ultraschnelle Bildgebungsverfahren sind mittlerweile unverzichtbare Werkzeuge zur Aufklärung hochdynamischer Prozesse. Ein wissenschaftlich hoch interessantes Forschungs- und Anwendungsgebiet für solche Messverfahren sind Mehrphasenströmungen. Diese sind in vielen technischen Prozessen, unter anderem in chemischen Mehrphasenreaktoren, Rektifikations- und Extraktionskolonnen, in der Erdölverarbeitung, solarthermischen Direktverdampfern oder in der Kältetechnik und Bioverfahrenstechnik zu finden und treten zudem, je nach Aggregatzustand und Dispersionsgrad der Phasen, sehr vielgestaltig auf. Insbesondere die Modellierung von Mehrphasenströmungen mit numerischen Berechnungsverfahren (CFD) ist aufgrund der Vielzahl zu berücksichtigender physikalischer Effekte beim Transport von Impuls, Stoff und Wärme auf unterschiedlichen Skalen und durch verschiedene Triebkräfte sowie der inhärenten Mehrskaligkeit des Problems schwierig.
Zielstellung:
Ziel des Projektes ist es, die gegenwärtig verfügbare ultraschnelle Röntgentomographie (ROFEX) mit einer bilddatengestützten automatischen Scannernachführung zu kombinieren, um Strukturen, wie einzelne Partikel oder Gasblasen, in ihrer Bewegung zu verfolgen. Dazu sollen gemeinsam mit dem Projektpartner grafikprozessor(GPU)-basierte Bildrekonstruktions- und Bildauswertealgorithmen in Kombination mit einer schnellen Datenübertragungslösung konzipiert, entwickelt und am einem RöntgenCT-Scanner der Professur umgesetzt werden. Am Ende der ersten Projektphase wird ein validiertes Messsystem zur Verfügung stehen, mit dem die Bewegung und Formveränderung von Partikeln in Mehrphasenströmungen in Echtzeit studiert werden kann. In der zweiten Projektphase wird dieses zur Untersuchung des Koaleszenz- und Zerfallsverhaltens von Einzelblasen im Blasenschwarm eingesetzt. Hiermit sollen integrale Modelle zum Blasenverhalten mit bislang unerreichten Einblicken geprüft und optimiert werden.
Methoden und Ergebnisse:
Ziel innerhalb der ersten Projektperiode von drei Jahren ist die Demonstration der Machbarkeit einer Einzelblasenverfolgung in einem Blasenschwarm innerhalb einer Blasensäule. Dazu müssen im Einzelnen folgende Fragestellungen bearbeitet werden:
- Entwicklung einer schnellen Datenübertragungslösung für die Kopplung von ROFEX an GPUs
- Optimierung und Implementierung von Bildrekonstruktionsalgorithmen für ein GPU-System
- Entwicklung und Implementierung automatischer Bildanalysealgorithmen zur Selektion und Richtungsverfolgung von Einzelblasen
- Technische Umsetzung in eine Nachführeinheit mit elektronischer Ansteuerung
- Test von Algorithmen und Hardware anhand von Beispielexperimenten
Die Herausforderung liegt in der Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit von Datenübertragung und der gesamten Datenanalysekette. Bei einer Blasenaufstiegsgeschwindigkeit von durchschnittlich 20 cm/s und Blasenäquivalentdurchmessern von ≥ 5 mm erfordert dies wenigstens 80 Entscheidungszyklen pro Sekunde für die Steuerung der Nachführeinheit. In Gebieten mit erhöhter Turbulenz kann dieser Wert noch größer sein.
Inzwischen konnte eine Nachführeinheit realisiert werden, welche den ROFEX Scanner mit einer Geschwindigkeit von bis zu 50 cm/s vertikal positionieren kann. Weiterhin konnte die Datenaufnahme, -übertragung und -verarbeitung mittels hochparalleler Techniken (FPGAs, GPUs) optimiert werden. Die erzielte Latenz zwischen Bildaufnahme und Bildrekonstruktion beträgt weniger als 2 ms bei einem Verarbeitungsdurchsatz von über 2000 Bildern pro Sekunde.
In der zweiten Projektphase von 30 Monaten soll der ROFEX Scanner eingesetzt werden, um folgende Fragestellungen zu bearbeiten:
- Weiterentwicklung der Regelalgorithmen zur simultanen Erfassung möglicher Koaleszenzpartner,
- Vorstudien zu Koaleszenz und Zerfall in initial monodispersen Blasenströmungen,
- Experimentelle Untersuchung von Koaleszenz und Zerfall durch Beschleunigung im Blasennachlauf sowie durch unterschiedlich große Auftriebskräfte und
- Experimentelle Untersuchung des Blasenzerfalls.
Die Ergebnisse der experimentellen Arbeiten sollen zur Validierung und ggf. Optimierung bestehender Modelle zur Koaleszenzfrequenz und Tochterblasengrößenverteilung verwendet werden.
Publikationen:
D. Windisch, M. Bieberle, A. Bieberle, U. Hampel
Control concepts for image-based structure tracking with ultrafast electron beam X-ray tomography
Transactions of the Institute of Measurement and Control, 42 (4) (2020): 691-703. doi:10.1177/0142331219858048
D. Windisch, O. Knodel, G. Juckeland, U. Hampel, A. Bieberle
FPGA-based Real-Time Data Acquisition for Ultrafast X-Ray Computed Tomography
IEEE Transactions on Nuclear Science, 68 (12) (2021): 2779-2786.
doi: 10.1109/TNS.2021.3123837
D. Windisch, J. Kelling, G. Juckeland, A. Bieberle
Real-time Data Processing for Ultrafast X-Ray Computed Tomography using Modular CUDA based Pipelines
Computer Physics Communications, 287 (2023): 108719.
doi: 10.1016/j.cpc.2023.108719
D. Windisch, C. Kaever, G. Juckeland, A. Bieberle
Parallel Algorithm for Connected-Component Analysis
Algorithms, 16 (2) (2023): 80.
doi: 10.3390/a16020080