Volume self-calibration effect for tomographic PIV in velocity fiel in a riser section of a circulating fluidized bed

A técnica de Velocimetria por Imagem de Partícula (PIV) é empregada na caracterização do campo de velocidade em diversos tipos de escoamentos. A técnica PIV do tipo tomográfica (Tomographic PIV ou PIV Tomográfica) possibilita a determinação do campo de velocidade do fluido em três dimensões, utilizando partículas que seguem fielmente o fluxo desse fluido. A técnica faz uso de visualizações simultâneas, perspectivas diferentes, das partículas, iluminadas por laser, e sua reconstrução 3D como uma distribuição de intensidade de luz por meio da tomografia óptica para determinação dos vetores velocidades por correlação cruzada 3D. A relação entre a imagem (projeção) e as coordenadas do espaço físico (o objeto) é estabelecida por um procedimento de calibração. Cada câmera registra imagens de um alvo calibração em várias posições de profundidade em todo o volume. A partir dessas imagens o procedimento de calibração retorna uma função de mapeamento. Um procedimento de autocalibração é feito para diminuir o erro da calibração. A autocalibração é uma técnica para a correção a posterior do desalinhamento do sistema de câmeras e pode melhorar significativamente a precisão da reconstrução tomográfica, o que pode acontecer devido a uma calibração imprecisa ou um leve movimento das câmeras. Esta Dissertação faz uma avaliação experimental do efeito da autocalibração volumétrica para a técnica PIV Tomográfica na investigação da velocidade em uma seção riser de um leito fluidizado circulante. Foi utilizada a técnica PIV Tomográfica, desenvolvida pela LaVision, com 4 câmeras (sensor CCD) e um sistema laser Nd:YAG. Foi desenvolvida uma estrutura que permite o deslocamento das quatro câmeras, nas três direções, e uma estrutura para o sistema laser. Os erros de calibração no volume ficaram entre 0,670 e 1,073 pixel e depois da autocalibração ficaram abaixo de 0,04 pixel. Foi analisado também o campo de velocidade instantânea (t = 71 s), campo de velocidade média no plano Z = 0 mm, flutuações da velocidade ao longo do raio do riser (X = - 40, -20, 0, 20 e 40 mm) para Y = -15, 0, +15 mm e Z = -2, 0 e +2 mm. O erro de calibração interfere diretamente na qualidade do volume reconstruído e consequentemente no cálculo do deslocamento das imagens de partículas de forma que o procedimento de autocalibração se torna necessário.Particle Image Velocimetry (PIV) technique is employed in the characterization of velocity fields in different types of flow. PIV technique of type tomographic (Tomographic PIV) enables the determination of the velocity field of fluid in three dimensions by using particles which reliably follow the flow of fluid. The technique makes use of simultaneous views, different perspectives of particles illuminated by laser, and its 3D reconstruction as a light intensity distribution by optical tomography for determination of velocity vectors by 3D cross-correlation. The relationship between the image (projection) and the coordinates of physical space (the object) is established by a calibration procedure. Each camera records images of a calibration target in various positions throughout the depth volume. From these images the calibration procedure returns a mapping function. A self-calibration procedure is done to decrease the error of calibration. The self-calibration is a technique of a-posteriori correction of misalignment of the camera system and can significantly improve the accuracy of tomographic reconstruction, which can happen due to an inaccurate calibration or a slight movement of the camera. This Dissertation makes an experimental evaluation of the effect of volume self-calibration for Tomographic PIV technique in the investigation of velocity field on a short riser section of a circulating bed. Tomographic PIV technique used in this work was developed by LaVision with 4 cameras (CCD sensor) and Nd:YAG laser system. A structure that allows the displacement of the four cameras in the three directions and a structure for laser system were developed. The calibration errors in volume were between 0.670 and 1.121 pixels and after self-calibration were less than 0.04 pixels. It was also analyzed the instantaneous velocity field (t = 71 s), average velocity field in the plane Z = 0 mm, the velocity fluctuations along the radius of the riser (X = - 40, -20, 0, 20 and 40 mm) for Y = -15, 0, +15 mm and Z = -2, 0 and +2 mm. Calibration error directly affects the quality of the reconstructed volume and consequently the calculation of particle images displacement and the self-calibration procedure is necessary