Estudo de otimização da reconstrução de imagens via tomografia capacitiva elétrica através dos métodos de elementos finitos e enxame de partículas utilizando computação de alto desempenho

This work aims to present the particle swarm heuristic as a viable method of solution for the inverse problem of the technique of Electrical Capacitance Tomography (ECT), with the purpose of applying to the imaging of multiphase flows. It will also be presented the philosophy of parallel programming that aligns with changes that favor the expansion of collective intelligence of swarm, thus reduces computational processing time, critical parameter in the design of the system of reconstruction of images, necessary for the production of images with higher spatial resolution. An alternative to increase the efficiency of the image reconstruction system is the removal of redundant calculations in the code (appropriation of the sparsity and ordering of the matrices associated with the associated mathematical problem) and the migration of the reconstruction algorithm from a sequenced programming to a parallel programming. It will be presented the physical principles of the ECT, the studies of use of the numerical characteristics of the finite element method (FEM), the heuristic algorithms used in the reconstruction process and the concepts of the main paradigms of parallelization (shared memory, distributed memory) and their software and hardware implementation. The results are encouraging because of the agreement between the images obtained and the simulated tomograms and the significant reduction in their processing time, thus stimulating the continuity of research in this topic for the future. Is found in this thesis all the steps to construct a Beowulf cluster and the serial and parallel codes necessary for implementation the algorithms.NenhumaEste trabalho tem por finalidade apresentar a heurística de enxame de partículas como um método viável de solução para o problema inverso da técnica de Tomografia Capacitiva Elétrica (TCE), com o intuito de aplicação ao imageamento de escoamentos multifásicos. Também será apresentada a filosofia de programação paralela que aliada a alterações que favoreçam a ampliação da inteligência coletiva de enxame, reduz assim o tempo computacional de processamento, parâmetro crítico no projeto do sistema de reconstrução de imagens, necessário para produção de imagens com maior resolução espacial. Uma alternativa para ampliar a eficiência do sistema de reconstrução da imagem é a retirada de cálculos redundantes no código (apropriação da esparsividade e da ordenação das matrizes associadas ao problema matemático associado) e a migração do algoritmo de reconstrução de uma programação sequenciada para uma programação paralela. Será apresentado os princípios físicos da TCE, os estudos de aproveitamento das características numéricas do método dos elementos finitos (MEF), os algoritmos heurísticos utilizados no processo de reconstrução e os conceitos dos principais paradigmas de paralelização (memória compartilhada, memória distribuída) e sua implementação de software e hardware. Os resultados encontrados são encorajadores devido a concordância entre as imagens obtidas e os tomogramas simulados e a redução significativa no tempo de processamento das mesmas, estimulado assim a continuidade de pesquisas neste tema para o futuro. Encontra-se nesta tese todos os passos para construção de um cluster Beowulf e os códigos seriais e paralelos necessários para implementação dos algoritmos