Utilization of Particle Image velocimetry in PPOOLEX condensation experiments

Particle Image Velocimetry, PIV, is an optical measuring technique to obtain velocity information of a flow in interest. With PIV it is possible to achieve two or three dimensional velocity vector fields from a measurement area instead of a single point in a flow. Measured flow can be either in liquid or in gas form. PIV is nowadays widely applied to flow field studies. The need for PIV is to obtain validation data for Computational Fluid Dynamics calculation programs that has been used to model blow down experiments in PPOOLEX test facility in the Lappeenranta University of Technology. In this thesis PIV and its theoretical background are presented. All the subsystems that can be considered to be part of a PIV system are presented as well with detail. Emphasis is also put to the mathematics behind the image evaluation. The work also included selection and successful testing of a PIV system, as well as the planning of the installation to the PPOOLEX facility. Already in the preliminary testing PIV was found to be good addition to the measuring equipment for Nuclear Safety Research Unit of LUT. The installation to PPOOLEX facility was successful even though there were many restrictions considering it. All parts of the PIV system worked and they were found out to be appropriate for the planned use. Results and observations presented in this thesis are a good background to further PIV use.

Separation of Gas Bubbles from Circulation Waters and Pulp Suspensions in Open Channel Flow

The objective of this thesis was to study the removal of gases from paper mill circulation waters experimentally and to provide data for CFD modeling. Flow and bubble size measurements were carried out in a laboratory scale open gas separation channel. Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used to measure the gas and liquid flow fields, while bubble size measurements were conducted using digital imaging technique with back light illumination. Samples of paper machine waters as well as a model solution were used for the experiments. The PIV results show that the gas bubbles near the feed position have the tendency to escape from the circulation channel at a faster rate than those bubbles which are further away from the feed position. This was due to an increased rate of bubble coalescence as a result of the relatively larger bubbles near the feed position. Moreover, a close similarity between the measured slip velocities of the paper mill waters and that of literature values was obtained. It was found that due to dilution of paper mill waters, the observed average bubble size was considerably large as compared to the average bubble sizes in real industrial pulp suspension and circulation waters. Among the studied solutions, the model solution has the highest average drag coefficient value due to its relatively high viscosity. The results were compared to a 2D steady sate CFD simulation model. A standard Euler-Euler k-ε turbulence model was used in the simulations. The channel free surface was modeled as a degassing boundary. From the drag models used in the simulations, the Grace drag model gave velocity fields closest to the experimental values. In general, the results obtained from experiments and CFD simulations are in good qualitative agreement.

Modelling of ultrasound assisted mixing in Newtonian and non-Newtonian liquids

The purpose of this work is to obtain a better understanding of behaviour of possible ultrasound appliance on fluid media mixing. The research is done in the regard to Newtonian and non-Newtonian fluids. The process of ultrasound appliance on liquids is modelled in COMSOL Multiphysics software. The influence of ultrasound using is introduced as waveform equation. Turbulence modelling is fulfilled by the k-ε model in Newtonian fluid. The modeling of ultrasound assisted mixing in non-Newtonian fluids is based on the power law. To verify modelling results two practical methods are used: Particle Image Velocimetry and measurements of mixing time. Particle Image Velocimetry allows capturing of velocity flow field continuously and presents detailed depiction of liquid dynamics. The second way of verification is the comparison of mixing time of homogeneity. Experimentally achievement of mixing time is done by conductivity measurements. In modelling part mixing time is achieved by special module of COMSOL Multiphysics – the transport of diluted species. Both practical and modelling parts show similar radial mechanism of fluid flow under ultrasound appliance – from the horn tip fluid moves to the bottom and along the walls goes back. Velocity profiles are similar in modelling and experimental part in the case of Newtonian fluid. In the case of non-Newtonian fluid velocity profiles do not agree. The development track of ultrasound-assisted mixing modelling is presented in the thesis.

Höyryturbiinin ulosvirtauskanaviston kokeellinen tutkimus pienoismallilla

Diplomityössä tutkittiin höyryturbiinin ulosvirtauskanavistojen kokeellisia tutkimusmenetelmiä ja suoritettiin käytännön mittauksia Fortum Oyj:n Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinien huuvan pienoismallilla. Kirjallisuusselvityksen perusteella todettiin, että pienoismallitutkimuksella on ollut keskeinen asema ulosvirtauskanavistojen suunnittelussa. Kokeellisten menetelmien perusongelmana on höyryturbiinin ulosvirtausolosuhteiden jäljitteleminen. Käytetyt mittausmenetelmät perustuvat pääosin tavanomaisiin paine- ja nopeusmittauksiin. Lisäainepartikkeleihin ja laser-valaisuun perustuva PIV (particle image velocimetry) todettiin lupaavaksi menetelmäksi ulosvirtauskanavistojen tutkimuksen saralla. Työn käytännön osuudessa tehtiin mittauksia mittasuhteessa 1:8 rakennetulle höyryturbiinin huuvan pienoismallille. Mittauksilla tutkittiin virtausta mallin sisääntulo- ja ulostulotasoissa. Lisäksi mitattiin staattisen paineen jakauma huuvan sisällä. Kokonaispainetta mittaava kiel-putki todettiin käytännölliseksi työkaluksi huuvan virtauskentän tutkimuksessa. Tuloksista käy hyvin ilmi huuvan ulostuloon syntyvien pyörteiden muodostuminen ja ulostulon epätasainen nopeusjakauma. Staattinen paine huuvan sisällä havaittiin epätasaisesti jakautuneeksi. Ulostulotason ja staattisen paineen mittauksilla saadut tulokset sopivat hyvin yhteen kirjallisuudesta löytyvien tutkimustulosten kanssa ja tukevat Loviisan ulosvirtauskanavistosta aiemmin tehtyjä CFD-simulointeja.

Monitorointimenetelmät membraanin likaantumisen seurantaan suodatuksen aikana

Membraani on ohut kalvo, jossa on pieniä nanomittakaavan reikiä, jotka erottavat partikkelit ja liuenneet yhdisteet liuoksesta. Membraanisuodatuksen käyttö on lisääntynyt merkittävästi vedenpuhdistuksessa, johtuen lisääntyneestä puhtaan veden tarpeesta ja tiukentuneista ympäristövaatimuksista. Tässä työssä esitellään reaaliaikaisia mittausmenetelmiä membraanin likaantumisen seurantaan. Esiteltyjä menetelmiä ovat suora havainnointi pinnan läpi, lasertriangulometria, varjoanalyysi, taittokykymittaus, kuvakatkaisu-menetelmä, partikkelin nopeusmääritys, radioisotooppinen merkintä ja ydinmagneettinen resonanssispektrometria. Mittausmenetelmien avulla likakerroksen paksuutta ja sen leviämistä on mahdollista seurata reaaliaikaisesti. Mittausmenetelmien soveltuvuus olemassa oleviin prosesseihin on vielä epävarmaa. Suurin osa menetelmistä on rajoittunut tiettyyn membraanin materiaaliin, tietynlaiseen membraanisuodatusprosessin rakenteeseen tai tiettyihin olosuhteisiin. Vallitsevien prosessiolosuhteiden lisäksi mittausanturin tulisi kestää myös puhdistusolosuhteet. Lisätutkimuksia tarvitaan, jotta voidaan löytää toimiva laitekokonaisuus tarvittavan tiedon tuottamiseen.

Linjasekoittimensekoituskyvyn määrittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää sekoituskyvyn empiirinen monimuuttujafunktio eräälle dynaamiselle linjasekoittimelle. Monimuuttujafunktio oli tarkoitus kehittää sekoittimen kierrosnopeuden, virtaavien materiaalien ja tilavuusvirtausten perus-teella. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin pääosin dynaamisia linjasekoittimia ja niiden toimintaperiaatteita sekä sekoituskyvyn määrittämiseen soveltuvia mittausmene-telmiä. Sekoitettavien aineiden epähomogeenisuus määritettiin mittaamalla termoelemen-teillä sekoittimen jälkeisen virran lämpötilavaihtelut. Sekoitettavina aineina käy-tettiin kolmea erilaista seosta: vesi-vesi-, kuitususpensio-vesi- ja karboksyylime-tyyliselluloosa-vesiseoksia. Muita muuttujia kokeissa olivat neljä eri sekoittimen kierrosnopeutta, neljä eri päävirran tilavuusvirtausta ja kolme päävirran sekäsii-hen lisättävän sivuvirran suhdetta. Monimuuttujafunktiokehitettiin vain kuitususpensio-vesiajojen pohjalta muilla seoksilla tehtyjen koeajojen osittaisen epäonnistumisen vuoksi. Hallitsevaksi pa-rametriksi monimuuttujafunktiossa osoittautui sekoittimen kierrosnopeus. Osittai-nen epäonnistuminen kokeissa johtui osaksi termoelementtien käytön sopimatto-muudesta sekoituskyvyn määrittämiseen ja osaksi sekoitettavien aineiden valin-nasta. Jatkotutkimuksiaajatellen muista sekoituskyvyn mittaamiseen käytettävissä olevista menetelmistäkäyttökelpoisimmaksi arvioitiin sähkötomografia.

Sulfatiatsolin leijupetikiteytys

Työssä tutkittiin leijupetikiteyttimen toimivuutta sulfatiatsolikiteiden kasvunopeuksien mittaamisessa. Sulfatiatsoli on lääkeaine, jota käytetään antibioottina. Kirjallisuusosassa on käsitelty kiteytyksen perusteita sekä olosuhteiden vaikutuksia kidemorfologiaan. Koska kyseessä on lääkeaine, on työssä myös selvitetty tekijöitä, jotka vaikuttavat syntyvän kiteen polymorfimuotoon. Näitä ovat mm. siemenkiteen polymorfimuoto sekä käytetty liuotin. Kirjallisuusosassa on myös esitelty teollisia ja laboratoriomittakaavan leijupetikiteyttimiä. Kokeellisessa osassa on keskitytty testaamaan leijupetikiteyttimen toimintaa sekä etsimään sopivia olosuhteita kasvukokeiden suorittamiselle. Kokeissa tutkittiin ylikylläisyyden vaikutusta sulfatiatsolikiteen kasvuun. Kiteen kasvun seurantaan pyrittiin etsimään sopivia hiukkaskokoanalysaattoreita. Mittauksissa käytetyt laitteistot olivat PIA 4000 mod LUT on-line-videomikroskooppi ja laserdiffraktioon perustuva Coulter LS 130 off-line-partikkelikokoanalysaattori.

Flokkulaation seuraaminen partikkelikokoanalysaattorilla

Tässä työssä tutkittiin kahden erilaisen partikkelikokoanalysaattorin, PSyA:n ja PIA:n soveltuvuutta flokkuloinnin online-seurantaan. Kummallekin menetelmälle määritettiin raja-arvot, kuten lietteen maksimisakeus. Lisäksi tutkittiin flokkulanttiannostuksen, sekoitusnopeuden, sekoitusajan ja lietteen kiintoainepitoisuuden vaikutusta flokkikokojakaumaan. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin kolloidisen suspension ominaispiirteitä, koaguloinnin ja flokkuloinnin teoriaa, flokkulaation kokeellista tutkimista sekä prosessin jatkuvatoimiseen seurantaan soveltuvia laitteita. Lisäksi esitettiin taustaa hydrometallurgisesta prosessista, johon työ liittyy. Flokkauskokeissa käytettiin jätevettä, jonka koostumus vastasi metalliteollisuuden peittausjätevesien tyypillistä koostumusta. Tutkittava jätevesimäärä käsiteltiin ensin kalkkimaidolla, jonka jälkeen saostunut kiintoaine flokattiin synteettisellä polymeeriflokkulantilla. Lietteen keskimääräinen kiintoainepitoisuus oli n. 10 g/l. Esikokeiden perusteella PSyA:lla voitiin mitata ilman laimennusta, mutta PIA:lla tuloksia ei saatu ilman laimentamista kiintoainepitoisuuteen n. 2,5 g/l. Kokeiden aikana havaittiin, että flokit muodostuivat erittäin nopeasti. Flokkien hajoaminen alkoi pian sen jälkeen, kun flokkulantin annostelu lopetettiin. Sekoitusnopeudella 40 r/min tai alle flokit alkoivat laskeutua astian pohjalle sekoituksesta huolimatta ja ne pysyivät pitempään koossa kuin suuremmilla sekoitusnopeuksilla. 5 - 10 minuutin kuluttua flokkulantin lisäämisestä saavutettiin tasapaino, jolloin flokkien kokojakauma ei enää muuttunut. Sekoitusnopeuksilla 80 r/min ja 120 r/min tasapainotilanteen koko-jakauma oli selvästi kapeampi kuin pienimmällä sekoitusnopeudella. Alkuperäisessä lietteessä flokit olivat suurempia kuin laimennetussa lietteessä. PSyA:lla jännepituusjakaumien määrittäminen oli varsin hidasta prosessissa tapahtuviin muutoksiin verrattuna, ja tuloksissa oli suurta hajontaa. PIA:lla saadut partikkelikokojakaumat sitä vastoin olivat johdonmukaisempia, vaikka suurimpien flokkien määrittäminen osoittautuikin epämääräiseksi. Menetelmän suurimmaksi puutteeksi todettiin soveltumattomuus sakeiden lietteiden analysointiin. Kumpikaan menetelmä ei ilman modifiointia sovellu tutkitun lietteen kaltaisten prosessilietteiden flokkuloinnin seurantaan.

Level Set Methods in Image Processing

This thesis gives an overview of the use of the level set methods in the field of image science. The similar fast marching method is discussed for comparison, also the narrow band and the particle level set methods are introduced. The level set method is a numerical scheme for representing, deforming and recovering structures in an arbitrary dimensions. It approximates and tracks the moving interfaces, dynamic curves and surfaces. The level set method does not define how and why some boundary is advancing the way it is but simply represents and tracks the boundary. The principal idea of the level set method is to represent the N dimensional boundary in the N+l dimensions. This gives the generality to represent even the complex boundaries. The level set methods can be powerful tools to represent dynamic boundaries, but they can require lot of computing power. Specially the basic level set method have considerable computational burden. This burden can be alleviated with more sophisticated versions of the level set algorithm like the narrow band level set method or with the programmable hardware implementation. Also the parallel approach can be used in suitable applications. It is concluded that these methods can be used in a quite broad range of image applications, like computer vision and graphics, scientific visualization and also to solve problems in computational physics. Level set methods and methods derived and inspired by it will be in the front line of image processing also in the future.

Characterisation of pigment particles by scanning electron microscope and image analysis programs

Coating and filler pigments have strong influence to the properties of the paper. Filler content can be even over 30 % and pigment content in coating is about 85-95 weight percent. The physical and chemical properties of the pigments are different and the knowledge of these properties is important for optimising of optical and printing properties of the paper. The size and shape of pigment particles can be measured by different analysers which can be based on sedimentation, laser diffraction, changes in electric field etc. In this master's thesis was researched particle properties especially by scanning electron microscope (SEM) and image analysis programs. Research included nine pigments with different particle size and shape. Pigments were analysed by two image analysis programs (INCA Feature and Poikki), Coulter LS230 (laser diffraction) and SediGraph 5100 (sedimentation). The results were compared to perceive the effect of particle shape to the performance of the analysers. Only image analysis programs gave parameters of the particle shape. One part of research was also the sample preparation for SEM. Individual particles should be separated and distinct in ideal sample. Analysing methods gave different results but results from image analysis programs corresponded even to sedimentation or to laser diffraction depending on the particle shape. Detailed analysis of the particle shape required high magnification in SEM, but measured parameters described very well the shape of the particles. Large particles (ecd~1 µm) could be used also in 3D-modelling which enabled the measurement of the thickness of the particles. Scanning electron microscope and image analysis programs were effective and multifunctional tools for particle analyses. Development and experience will devise the usability of analysing method in routine use.

Improving Satellite Image Based Forest Inventory by Using A Priori Site Quality Information

Summary

Calibration of a desktop scanner and digital image analysis procedure for quantification of a root morphology

Selostus: Tasoskannerin ja digitaalisen kuva-analyysimenetelmän kalibrointi juurten morfologian kvantifioimiseksi