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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10006655&local_id=10009574
다상유동 가시화 및 측정을 위한 공정 단층촬영법 개발
Reports NRF is supported by Research Projects( 다상유동 가시화 및 측정을 위한 공정 단층촬영법 개발 | 2005 Year | 김신(제주대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
사업별 신청요강보기
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00075
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2006년 01월 18일
Year type 결과보고
Year(final report) 2006년
Research Summary
  • Korean
  • 본 과제는 다상유동 가시화 및 측정을 위한 공정 단층촬영(process tomography) 기법을 전기적 단층촬영(electrical tomography) 기법을 중심으로 개발하는 것이다. 전기적 단층촬영이란 적절히 설계된 전기신호를 주입하고 여기된 전기신호를 측정하여 이를 바탕으로 전기적 단층촬영 역문제를 풀어 전기적 물성치 분포를 재구성함으로써 각 상 또는 성분의 분포 내지는 분율을 얻어내는 것이다. 본 연구에서는 서로 다른 전기적 물성치를 갖는 2상 및 2성분 유동을 대상으로 하였다.

    연구 내용은 크게 유동혼합을 전기적 단층촬영 기법을 이용해 가시화 하고 유동혼합을 해석하기 위한 기법을 개발하는 연구와 전기적 단층촬영에 사용되는 영상복원 알고리즘을 개선하는 연구로 나뉜다.

    유동혼합 연구에서는 물과 소금물의 혼화액의 혼합 (액-액 혼합) 및 물과 공기의 혼합 (기-액 혼합)을 대상으로 전기적 단층촬영 기법 적용의 타당성 평가와 가시화, 그리고 혼합 현상을 정량적으로 분석하기 위한 방법론 개발 연구가 수행되었다. 혼화액 혼합연구에서는 주입시간과 혼합시간을 전기전도도 분포의 측정 결과로부터 정량적으로 추출해 낼 수 있음을 확인하였고 소금물의 주입량, 주입 위치, 그리고 교반 조건이 혼합에 미치는 영향을 분석하였다. 기-액 혼합 실험에서는 공기유량과 교반기의 회전 속도가 유동혼합 현상에 미치는 영향을 정성적으로 분석하고 공기유량과 전기전도도 값의 관계를 정량적으로 측정하였다. 또한 cross-correlation 개념을 도입하여 혼화액 혼합 현상을 정량적으로 분석할 수 있는 방법론을 개발하였다.

    전기적 단층촬영 영상복원 알고리즘 개선 연구에서는 기존 알고리즘의 한계를 분석하여 그 한계를 극복할 수 있는 몇 가지 알고리즘을 제안하고 수치 실험을 수행하였다. 우선 빠른 천이를 겪는 다상유동의 영상복원에 한계를 가지고 있는 기존의 정적 전기적 단층촬영 알고리즘의 한계를 극복하기 위해 동적 영상복원 알고리즘을 도입하였다. 또한 상태천이 모델에서 process noise covariance가 미리 알려져 있지 않으며 영상복원의 질에 상당한 영향을 미친다는 점에 주목하여 서로 다른 process noise covariance를 갖는 여러 개의 필터를 병렬로 연결하는 IMM (interacting multiple model)을 도입하였다. 그리고 이상유동장에서 공간해상도를 증대시키기 위해 상 분포를 결정하는 문제를 상 경계면을 결정하는 문제, 즉 경계면 추정 문제로 전환하고 IMM 동적 알고리즘을 채용한 알고리즘, 경계면을 front point로 표현하고 이를 추정하는 front point tracking 알고리즘, 성층류에 적합한 front point tracking 알고리즘을 개발하고 수치 실험을 통해 검증하였다.
  • English
  • The electrical tomography (ET) technique is introduced as a modality for process tomography for the visualization and measurement of multi-phase flows. The electrical tomography estimates the distribution of each phase (or component) or its fraction from the solution of inverse problem based on the injected electrical signals and the measured resultant signals. In this work, as multi-phase flows, two-phase and two-component systems are considered.

    The subjects of this study are composed of flow mixing measurement and image reconstruction algorithm. In the former, the flow mixing is visualized with the aid of the ET and the method to analyze the mixing phenomena is developed. In the latter, the image reconstruction algorithm to estimate the conductivity distribution is improved.

    In the study of flow mixing, the mixing in miscible fluids of water and saline water and in two-phase flows of air and water is considered. The applicability of ET to miscible fluids and two phase flows, their visualization, and methodology development for the quantitative analysis of the mixing have been performed. In the study of the mixing of miscible fluids, the injection time and mixing time can be obtained from the estimated temporal and spatial conductivity distribution. The effects of the injection amount, injection location, and speed of agitator have been investigated. From the ET experiments for air-water mixing, it has been reported that the air flow rate and the RPM of the agitator affect the mixing phenomena. The relation between the conductivity and the air flow rate has been analyzed experimentally. Also, the concept of cross-correlation has been introduced to investigate the mixing quantitatively.

    The limitations of previous image reconstruction algorithms are identified. Some algorithms are proposed to overcome the limitations and numerical experiments have been conducted. Especially, in this work, a dynamic image reconstruction algorithm is adopted to overcome the limit of the conventional static algorithm when the ET is applied to multi-phase flows undergoing fast transient. In the state transition model, it has been noted that the process noise covariance is not given a priori even though it is an important parameter for the quality of reconstructed images. So, this work adopted IMM (interacting multiple model) where multiple filters with different process noise covariance are connected in parallel. In order to enhance the spatial resolution, the estimation of the phase distribution has been converted into the estimation of phase boundary. The boundary estimation problems have been solved with the dynamic IMM algorithm, the front point tracking algorithm where the boundary is expressed with the front points, and the front point tracking algorithm for stratified flows. The algorithms have been verified through numerical experiments.
Research result report
  • Abstract
  • - 본 과제는 다상유동 가시화 및 측정을 위한 공정 단층촬영(process tomography) 기법을 전기적 단층촬영(electrical tomography) 기법을 중심으로 개발하는 것임
    - 본 연구에서는 서로 다른 전기적 물성치를 갖는 2상 및 2성분 유동을 대상으로 하였으며 전기적 단층촬영이란 적절히 설계된 전기신호를 주입하고 여기된 전기신호를 측정하여 이를 바탕으로 전기적 단층촬영 역문제를 풀어 전기적 물성치 분포를 재구성함으로써 각 상 또는 성분의 분포 내지는 분율을 얻어내는 것임
    - 특히 빠른 천이를 겪는 다상유동의 영상복원에 한계를 가지고 있는 기존의 정적 전기적 단층촬영 알고리즘의 한계를 극복하기 위해 동적 영상복원 알고리즘을 도입하였으며, 전기적 물성치의 분포를 얻는 대신에 공간해상도를 높일 수 있도록 상 경계면의 추정에 초점을 맞추어 경계면 추정 알고리즘을 발전 적용하였음
    - 그리고 다상 및 다성분 유동의 혼합 현상을 측정하기 위한 방법으로 다층 전기적 단층촬영법을 도입하여 혼합 현상을 가시화 하였음
  • Research result and Utilization method
  • - 전기적 단층촬영 기법은 공정 단층촬영 분야와 더불어 의료영상분야에서 활발히 연구 개발되어 왔으나 공정에서 흔히 관찰되는 다상유동은 빠른 천이과정을 겪는 경우가 많으므로 소위 정적 영상복원 알고리즘을 적용하여서는 상당한 오차를 유발할 수 있어 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 상태 추정 기법에 기반한 동적 영상복원 알고리즘을 발전적으로 도입하여 그 유용성을 확인하였음. 또한 전기적 단층촬영 기법의 한계인 낮은 공간해상도 문제를 해소하기 위하여 전기적 물성치 분포 대신에 상 경계면을 직접 추정하는 알고리즘을 도입하고 개선하였음. 이는 전기적 단층촬영 기법의 효용성을 증대시키고 본 기법이 다상유동장 실험 연구에 활용될 수 있는 가능성을 높이게 될 것으로 기대됨
    - 다상 또는 다성분 유동장에서의 복잡한 혼합 현상을 가시화하기 위해 전극을 다층으로 구성하고 각 층에서 전기적 단층영상을 얻어 혼합 현상의 진행 과정을 영상복원하였음. 각 단면에서의 상분포는 추정된 전기적 물성치의 분포로 대치되므로 동일 단면 내에서 또는 서로 다른 단면에서 추출한 두 지점에서의 전기적 물성치 사이의 상관관계를 조사함으로써 혼합 현상에 대한 해석이 가능함. 따라서 본 연구에서 제시한 전기적 단층촬영 기법이 혼합 현상의 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대됨
  • Index terms
  • 공정단층촬영(PT: Process Tomography), 다상유동(Multi-phase Flow), 다성분유동(Multi-Component Flow), 가시화, 전기적단층촬영(ET: Electrical Impedance Tomography), 역문제(inverse problem)
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