Ontwikkeling van reflectiepunt, schaduw en interferometrische planaire technieken ter bepaling van de diameter van luchtbellen Development of Glare Point, Shadow
and Interferometric Planar Techniques for Gas Bubble Sizing
Sam Dehaeck
Promotoren: prof. dr. ir. J. Vierendeels, prof. dr. ir. J.P.A.J. van Beeck Proefschrift ingediend tot het behalen van de graad van
Doctor in de Ingenieurswetenschappen: Werktuigkunde-Elektrotechniek Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding
Voorzitter: prof. dr. ir. R. Sierens
Faculteit Ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2006 - 2007
Dankwoord
Het dankwoord. Het laatste stukje tekst dat nog geschreven moet worden en dan is mijn doctoraatsthesis klaar.
Dat is toch iets om even bij stil te staan want het doctoraat is toch min of meer de puberteit van elke onderzoeker.
De tijd waarin je voor het eerst op je eigen benen moet leren staan en je eigen onderzoeksdoelen moet uitzetten.
Een tijd ook waarin je tijdschriften probeert te verleiden om je artikels te publiceren en waarbij je noodzakelijker wijze soms een blauwtje oploopt. Daarnaast duiken er, zoals bij elke puberteit, vele existentiële vragen op zoals;
Ben ik wel goed bezig? Waar was ik nu weer mee bezig? Is dit niet al allemaal eens onderzocht?
Op zo’n momenten, was ik zeer dankbaar dat ik met mijn promotor Jeroen van Beeck kon praten. Hij vond op miraculeuze wijze altijd de tijd en het geduld om naar mijn ideëen te luisteren. Daarnaast hebben zijn subtiele hints me ook vaak geholpen in het uitzetten van de grote lijnen van mijn onderzoek. Samen met Michel Riethmuller wil ik jullie ook bedanken voor het originele idee van mijn doctoraat, want een goede start is toch al de halve race.
Een tweede steunpilaar van dit onderzoek was Jan Vierendeels. Bedankt voor het opvolgen en blijvend steunen van mijn doctoraat. Samen met Erik Dick wil ik jullie ook bedanken om me naar het VKI te sturen. Zonder jullie was ik waarschijnlijk nooit begonnen met experimenteel onderzoek, een discipline waar ik me heel goed thuis voel. Verder wil ik ook de rest van de vakgroep bedanken, en in het bijzonder Rita, voor de broodnodige hulp bij de administratieve kant van een doctoraat.
Daarnaast wil ik ook de professoren van het EA departement van het Von Karman Instituut bedanken (M.
Riethmuller, JM. Buchlin, J Anthoine, ..) voor de interesse en de vele vragen tijdens de jaarlijkse doctor- aatspresentaties. Verder bedank ik ook de technische staf van het Von Karman Instituut (Guillaume, Didier, Jacques,...) voor de snelheid en inventiviteit waarmee mijn technische probleempjes werden opgelost.
Ook een warme groet naar de verschillende professoren en vorsers in de Mutech groep; Johan, Annick, Jan, Herman (2x), Réné, Paola, David, Tim, Thomas, Wouter, Steven, Pavel, Flora, ... Bedankt voor de vele interes- sante gesprekken die we gehad hebben en de interesse naar mijn werk. Jullie waren het die zin gegeven hebben aan dit doctoraat. Heidi wil ik ook bedanken voor de leuke uurtjes in de trein en in de auto op weg naar één of ander industrieterrein in the middle of nowhere. En niet te vergeten voor de bellenmetingen in de reactor, zeker één van de hoogtepunten uit dit doctoraat.
De mede-doctoraatstudenten van het VKI (Bart, Thomas, Alberto, Mike, Sandy, Rosaria, Raimondo, An en vele anderen) voor de interessante gesprekjes (en spelletjes frozen bubble) tijdens de middagpauzes. Ik wil ook de verschillende stagiairs niet vergeten waarmee ik heb mogen samenwerken; Aurianne, Vassilios, Dora, Rocco en Sedat. Stuk voor stuk hebben jullie bijgedragen tot deze thesis en ik hoop dat jullie er ook een beetje trots op zijn. Tot slot nog de medetreinpendelaars; Tom, Johan, Nadège, Mickaël & Pierre. Jullie vriendschap heeft van het (soms eindeloze) wachten op de trein een mooie tijd gemaakt.
Daarnaast wil ik ook mijn ouders bedanken voor hun niet aflatende steun en liefde. Mijn broer, voor de leuke telefoongesprekken, de ontspannende middagetentjes en de plezante avondjes uit. Tenslotte wil ik ook Han- nah bedanken, mijn kersverse bruid, voor alweer enkele van de mooiste jaartjes van mijn leven. Vanaf het gezamenlijk schrijven van onze IWT-projectaanvragen in ons nieuwe appartementje tot het bijstaan in de the- sisschrijfmarathon, jij was er altijd om naar me te luisteren, me te helpen en in me te blijven geloven. Ik dank je hiervoor met heel mijn hart.
Veel leesplezier!
Sam.
Contents
List of symbols and acronyms vii
Samenvatting ix
Summary xiii
List of publications xvii
1 Introduction 1
1.1 Bubbly Applications . . . . 1
1.2 Overview of Bubble Sizing Techniques . . . . 2
1.2.1 Introduction . . . . 2
1.2.2 Acoustical Measurements . . . . 3
1.2.2.1 Passive Acoustics . . . . 3
1.2.2.2 Linear Active Acoustics . . . . 3
1.2.2.3 Non-Linear Active Acoustics . . . . 4
1.2.2.4 General Remarks on Acoustical Techniques . . . . 5
1.2.3 Optical Measurements . . . . 5
1.2.3.1 Phase Detection Probes . . . . 5
1.2.3.2 Laser Diffraction Particle Sizing . . . . 6
1.2.3.3 Phase Doppler Anemometer . . . . 7
1.2.3.4 Backlighting . . . . 8
1.3 Outline of the Thesis . . . . 9
2 Glare Points 11 2.1 Introduction . . . . 11
2.2 Spherical Bubbles . . . . 12
2.3 Glare Point Measurement Techniques . . . . 13
2.4 Wall Deflection . . . . 17
2.5 Non-Spherical Bubbles . . . . 17
2.6 Glare Point Width . . . . 19
CONTENTS
2.7 Conclusions . . . . 21
3 Glare Point Velocimetry and Sizing (GPVS) 23 3.1 Introduction . . . . 23
3.2 Basic GPVS . . . . 24
3.2.1 Spherical Bubbles . . . . 24
3.2.2 Non-Spherical Bubbles . . . . 26
3.3 Extended GPVS . . . . 27
3.3.1 Configuration . . . . 27
3.3.2 Extra Information . . . . 28
3.3.3 Different Observation Angles . . . . 30
3.4 Uncertainty Analysis . . . . 30
3.4.1 Uncertainty Analysis of the Conversion Factor α
air. . . . 30
3.4.2 Uncertainty Analysis of the Inter Glare Point Distance Measurement δ
pix. . . . 32
3.4.3 Uncertainty Analysis of the Calibration Constant C . . . . 32
3.5 Experiments . . . . 33
3.5.1 Goals . . . . 33
3.5.2 Experimental Set-Up . . . . 33
3.5.3 Size Calibration Basic GPVS . . . . 34
3.5.4 Velocity Calibration Basic GPVS . . . . 35
3.5.5 Refractive Index Determination . . . . 35
3.5.6 Alignment Verification . . . . 36
3.5.7 Extended GPVS at 90
◦. . . . 36
3.6 Designing a GPVS Experiment . . . . 37
3.6.1 Introduction . . . . 37
3.6.2 Working Domain . . . . 37
3.6.3 Obtaining the Maximum Precision . . . . 39
3.6.4 Limited Depth-of-Field . . . . 40
3.7 Discussion . . . . 41
3.8 Conclusions . . . . 42
4 Interferometric Particle Imaging (ILIDS) 43 4.1 Introduction . . . . 43
4.2 Experimental Set-Up . . . . 45
4.3 Multi-Frequency ILIDS . . . . 45
4.3.1 Introduction . . . . 45
4.3.2 Power Spectrum Analysis . . . . 46
CONTENTS
4.3.3 Experimental Verification . . . . 48
4.3.4 Choice of the Observation Angle . . . . 48
4.4 Formula . . . . 49
4.5 Uncertainty Analysis . . . . 50
4.5.1 Introduction . . . . 50
4.5.2 Uncertainty Analysis of the Conversion Factor α
air. . . . 51
4.5.3 Uncertainty Analysis of the Fringe Frequency Determination F . . . . 52
4.5.4 Uncertainty Analysis of the Calibration Constant C
pix/rad. . . . 54
4.5.4.1 Fringe Counting . . . . 54
4.5.4.2 Full Experimental Calibration . . . . 55
4.5.4.3 Semi-Experimental Calibration . . . . 55
4.5.4.4 Theoretical Calibration . . . . 56
4.5.4.5 Comparison of Experimental and Theoretical Calibration . . . . 58
4.5.4.6 Calibration Conclusions . . . . 59
4.6 Designing a Maximum Precision ILIDS Configuration . . . . 60
4.6.1 Calibration Procedure . . . . 60
4.6.1.1 Short Stand-Off Distances . . . . 61
4.6.1.2 Large Stand-Off Distances . . . . 61
4.6.1.3 Transit Region . . . . 62
4.6.2 Design Guidelines . . . . 63
4.7 Discussion . . . . 64
4.8 Conclusions . . . . 65
5 Backlighting 67 5.1 Introduction . . . . 67
5.2 Gradient Pair Method . . . . 68
5.2.1 Principle . . . . 68
5.2.2 Intermediate Results after the Gradient Pair Method . . . . 70
5.3 Clustering . . . . 72
5.3.1 Choice of a Clustering Technique . . . . 72
5.3.2 Connectivity Based Pre-Clustering . . . . 73
5.3.3 Clustering Parameters . . . . 73
5.4 Validation . . . . 74
5.5 Experiments . . . . 75
5.6 Discussion . . . . 77
5.7 Conclusions . . . . 78
CONTENTS
6 Glare Circles 79
6.1 Introduction . . . . 79
6.2 Theoretical Background . . . . 80
6.2.1 Glare Circles . . . . 80
6.2.2 Bubble Diameter Measurements . . . . 80
6.2.3 Refractive Index Measurements . . . . 81
6.3 Experiments . . . . 82
6.3.1 Sizing Experiments . . . . 82
6.3.2 Refractive Index Measurements . . . . 83
6.4 Uncertainty Analysis . . . . 84
6.4.1 Common Uncertainties . . . . 84
6.4.2 Bubble Sizing . . . . 85
6.4.3 Refractive Index Measurements . . . . 85
6.5 Discussion . . . . 85
6.6 Conclusion . . . . 86
7 Laser Marked Shadowgraphy (LMS) 87 7.1 Introduction . . . . 87
7.2 Principle . . . . 88
7.3 Processing . . . . 90
7.4 Experiments . . . . 92
7.4.1 Experimental Set-Up . . . . 92
7.4.2 Bubble Diameter in Function of Rotational Speed . . . . 92
7.5 Discussion . . . . 93
7.6 Conclusions . . . . 94
8 Fourier Calibration 95 8.1 Introduction . . . . 95
8.2 Principle . . . . 95
8.3 Uncertainty Analysis . . . . 97
8.3.1 Introduction . . . . 97
8.3.2 Uncertainty in the Positioning of the Target . . . . 97
8.3.3 Uncertainty in the Image Processing . . . . 98
8.4 Applications . . . . 100
8.4.1 Rotation along the Optical Axis . . . . 100
8.4.2 Varying Magnification . . . . 100
8.4.3 In- versus Out-Focus Calibration . . . . 100
CONTENTS
8.5 Conclusions . . . . 102
9 Comparing Backlighting, GPVS, ILIDS and LMS 103 9.1 Working Domain . . . . 103
9.2 Uncertainty Analysis . . . . 105
9.3 Void Fraction Limits . . . . 106
9.4 Experimental Comparison . . . . 107
9.5 Discussion . . . . 108
9.5.1 Backlighting . . . . 108
9.5.2 ILIDS . . . . 109
9.5.3 GPVS . . . . 111
9.5.4 LMS . . . . 114
10 Conclusions 117 10.1 Overview of the Thesis . . . . 117
10.2 Overview of the Techniques . . . . 119
10.3 Remaining Goals . . . . 120
Bibliography 121
A Colour Separation Artefacts A.1
A.1 Introduction . . . . A.1 A.2 Overview of Image Processing . . . . A.2 A.3 Colour Separation Artefacts . . . . A.4 A.3.1 Blooming Effect . . . . A.4 A.3.2 Colour Interpolation Artefacts . . . . A.6 A.3.2.1 Introduction . . . . A.6 A.3.2.2 Linear Algorithm . . . . A.6 A.3.2.3 Threshold Based Variable Gradient Method . . . . A.7 A.3.3 Effect of Compression . . . . A.8 A.4 Conclusions . . . . A.9
B Droplet Measurements with ILIDS B.1
B.1 Introduction . . . . B.1
B.2 Glare Point Locations . . . . B.1
B.3 Uncertainty Analysis . . . . B.2
B.4 Designing a Maximum Precision Configuration . . . . B.4
B.5 Conclusions . . . . B.6
CONTENTS
C Void Fraction Limits C.1
List of Symbols and Acronyms
This list contains the symbols and acronyms, which are used throughout the text. Symbols with more local uses are not included. This is especially true for chapter 5, where all symbols are local. Occasionally, some symbols have a different meaning than in this list, but this will be apparent from their context.
General Symbols
α Conversion factor relating the distance between two glare points to the bubble diameter γ Collecting angle, i.e. the opening angle from the bubble centre to the aperture edges δ Distance between two glare points
δ
pixDistance between two glare points in pixels
θ Observation angle, i.e. the angle between the laser propagation direction and the connecting line bubble-camera
λ Wavelength
τ Angle between light ray and tangent at the interface ϕ Tilt angle of ellipse
∆φ Fringe spacing
Φ
pixOut-focus disc size in pixel C Calibration value
D
bThe bubble diameter
F Frequency
I Intensity
M Optical magnification
N Amount of interactions between the light ray and the bubble R The bubble radius
Re Reynolds number S
pixPhysical size of a pixel
a Principal radius of an ellipse, i.e. half the long axis b Secondary radius of an ellipse, i.e. half the short axis d
aDistance bubble-aperture
f Focal length of the lens
f
#F-number of the objective, i.e. focal length divided by aperture diameter g Out-focus distance of the CCD-plane
h Camera displacement from the in-focus position n
liqRefractive index of the liquid
r
aRadius of the aperture s
iDistance lens-image s
oDistance lens-object t Laser-sheet thickness
v Velocity
LIST OF SYMBOLS AND ACRONYMS
w Distance between glare point and reference ray from the centre of the bubble x
iNewtonian image distance, i.e. distance to the image minus focal length x
oNewtonian object distance, i.e. distance to the object minus focal length
Acronyms
2D Two-dimensional BFP Back Focal Plane BPP Back Principal Plane CCD Charge Coupled Device CRLB Cramer-Rao Lower Bound FFP Front Focal Plane
FFT Fast Fourier Transform FPP Front Principal Plane GO Geometrical Optics GPD Global Phase Doppler
GPVS Glare Point Velocimetry and Sizing GW Glare point Width
ILIDS Interferometric Laser Imaging for Droplet Sizing IPI Interferometric Particle Imaging
LMS Laser Marked Shadowgraphy NA Numerical Aperture
PIV Particle Image Velocimetry
PSF Point Spread Function
PTV Particle Tracking Velocimetry
SNR Signal to Noise Ratio
Samenvatting
Luchtbellen treden op in tal van industriële toepassingen. In de elektrochemische industrie worden er bellen ge- produceerd bij de hydrolyse van water, de productie van chloor en als nevenreactie in metaaldepositieprocessen.
Verder treden luchtbellen op in het continu gieten van staal, in waterzuiveringsinstallaties, in fermentatiepro- cessen en nog vele andere domeinen. Deze ver uit elkaar liggende industrietakken hebben allemaal belang bij verbeteringen in de experimentele meettechnieken waarmee de betreffende bellenstromingen onderzocht worden.
Voor het opmeten van de diameter en snelheid van deze gasbellen gebruikt men bij voorkeur een planaire en niet intrusieve techniek. Dergelijke technieken hebben het voordeel dat ze de stroming niet verstoren en met een enkele meting meteen een ruimtelijk overzicht kunnen bieden (bvb. van een gedeelte van een elektrochemische elektrode). De meest courante 2D optische techniek die aan deze eisen voldoet is de schaduwmethode. Hierbij worden de luchtbellen diffuus belicht en hun schaduw wordt met een digitale camera geregistreerd (figuur 1(a)).
Deze techniek heeft echter verscheidene nadelen. Het belangrijkste hiervan is dat alle bellen tussen de lichtbron en de camera afgebeeld worden en men dus niet de preciese afstand tussen de bel en de camera kent. Aangezien de optische vergroting (meestal) afhankelijk is van deze afstand, treden er grote fouten op in het berekenen van de echte belgrootte uitgaande van de afgebeelde schaduwgrootte.
Een andere techniek, genoemd Interferometric Laser Imaging for Droplet Sizing (ILIDS), werd reeds 20 jaar geleden ontwikkeld en maakt recent een steile opmars in het meten van bolvormige druppels (Koenig et al.
[1986], Ragucci et al. [1990], Glover et al. [1995]). Bij deze techniek gebruikt men een 2D laservlak dat haaks staat op de kijkrichting van de camera. Enkel druppels in dit vlak (van enkele mm dik) worden afgebeeld door de camera, waardoor het hierboven vermelde probleem van de schaduwtechniek grotendeels geëlimineerd wordt.
Bij ILIDS steunt men op het feit dat het licht dat naar de camera wordt verstrooid afkomstig is van specifieke punten op het druppeloppervlak; de zogenaamde reflectiepunten. Alhoewel deze techniek ontwikkeld is op druppels, wordt het principe geïllustreerd op gasbellen in figuur 2. Deze figuur toont dat wanneer deze punten uit-focus worden afgebeeld, er een interferentiepatroon ontstaat zoals zichtbaar in figuur 2 en 1(b). Aan de hand van de frequentie van dit patroon kan men de diameter bepalen. In een variant van ILIDS wordt de foto in-focus genomen, waardoor de twee reflectiepunten zichtbaar zullen zijn zoals ook aangegeven in figuur 2 en 1(c).
∗Zoals Hess [1998] aantoonde kan men aan de hand van de afstand tussen twee reflectiepunten ook de diameter bepalen. Doorheen de tekst wordt deze techniek Glare Point Velocimetry and Sizing (GPVS) genoemd.
∗Merk op dat nog andere interactie-ordes zich een weg kunnen banen naar de camera, maar deze hebben een veel lagere intensiteit (voor de getoonde observatie hoek) en zijn daarom niet zichtbaar.
Figuur 1: De vijf optische 2D meettechnieken die onderzocht werden in deze thesis geïllustreerd op één bel (a)
Schaduwmethode (b) ILIDS (c) GPVS (d) Reflectiecirkels (e) LMS
SAMENVATTING
Figuur 2: Principe van GPVS en ILIDS.
Echter, deze optische technieken werden voornamelijk ontwikkeld voor druppels. Door het grote belang van gasbelmetingen in o.a. de elektrochemische industrie, is het onderwerp van deze thesis dan ook het ontwikkelen van niet-intrusieve 2D optische meettechnieken ter bepaling van de gasbelgrootte. Aangezien het onderzoek van ILIDS op druppels reeds had aangetoond dat deze techniek (en zijn variant GPVS) vele voordelen heeft in vergelijking met de schaduwmethode, was de originele doelstelling van dit doctoraat dan ook onderzoeken hoe de meetprincipes van GPVS en ILIDS overgedragen konden worden op het meten van gasbellen.
De eerste concrete resultaten hieromtrent werden gemeld in Dehaeck et al. [2005] (en hoofdstuk 3). Hierin werden drie nieuwe configuraties voorgesteld voor het meten van luchtbellen met GPVS, waaronder die van figuur 2. Numeriek onderzoek hieromtrent heeft aangetoond dat deze opstellingen preciezer zijn, toepasbaar in grotere concentraties aan bellen en bovendien leiden tot kleinere fouten in snelheidsmetingen dan de enige opstelling tot dan toe gekend voor het meten van gasbellen met ILIDS van Niwa et al. [2000]. In een variant van de opstelling in figuur 2, werd een tweede laservlak gebruikt met een omgekeerde richting als het originele laservlak. Dit leidt tot het verschijnen van een derde reflectiepunt. Met deze extra informatie is het mogelijk om de refractie-index van het medium te bepalen, zoals we experimenteel hebben aangetoond. Daarnaast kan dit extra punt ook gebruikt worden om niet-bolvormige bellen te detecteren. Dit is belangrijk aangezien numerieke simulaties hebben aangetoond dat de meetfout voor niet-bolvormige bellen kan oplopen tot 16% voor een niet- bolvormigheid van 10%. De configuratie die door ons werd voorgesteld, kan deze fout beperken tot 4%.
In hoofdstuk 4 wordt er dan gekeken naar de beste toepassing van deze nieuwe inzichten voor belmetingen met ILIDS (een combinatie van Dehaeck and van Beeck [2007d] en Dehaeck and van Beeck [2007e]). Dit leidt tot een nieuwe ILIDS configuratie waarin dezelfde niet-bolvormigheidsdetectie kan gebeuren als voor GPVS maar nu met slechts één laservlak. Daarnaast werd ook voor het eerst een volledige onzekerheidsanalyse van ILIDS uitgevoerd, zowel voor druppels als bellen. Eén van de belangrijke nieuwe resultaten hierin was dat de meetfout voor niet-bolvormige druppels kan oplopen tot 5.5% voor een niet-bolvormigheid van 10% (appendix B). Daarnaast toonde deze analyse ook aan dat de calibratie van ILIDS één van de belangrijkste foutenbronnen is. Dit feit is nog niet voldoende gekend in de ILIDS gemeenschap aangezien de meeste auteurs hun cali- bratiemethode en de geassocieerde onzekerheid niet vermelden. Om deze onduidelijkheid in de verschillende calibratiemethodes op te helderen, werden de verschillende calibratiemethodes uitgebreid met elkaar vergele- ken, zowel theoretisch als experimenteel. Daarnaast wordt ook veel aandacht besteed aan het optimaliseren van deze calibratietechnieken.
Naast het bereiken van de originele doelstelling, i.e. nieuwe configuraties ontwikkelen voor het meten van
gasbellen met GPVS en ILIDS, werden ook verscheidene andere technieken onderzocht of ontwikkeld. Zo
werd in hoofdstuk 5 (gebaseerd op Dehaeck and van Beeck [2007a]) een nieuw beeldverwerkingsprogramma
ontwikkeld dat in staat is om ellipsvormige schaduwen van een variabele grootte te herkennen in een foto van
de schaduwmethode (e.g. figuur 1(a)). Hierbij werd uitgegaan van een bestaand algoritme van Rad et al. [2003]
SAMENVATTING
dat reeds in staat was om cirkels te detecteren. Dit algoritme werd gegeneraliseerd naar de detectie van ellipsen en aanzienlijk versneld.
In hoofdstuk 6 (gebaseerd op Dehaeck and van Beeck [2007b]) wordt dieper ingegaan op de heldere cirkels die verschijnen binnenin de schaduw van luchtbellen zoals zichtbaar in figuur 1(d). We tonen aan dat deze cirkels ook afkomstig zijn van reflectiepunten. Het optreden van deze cirkels werd reeds theoretisch voorspeld door van de Hulst and Wang [1991] en Bongiovanni et al. [1997]. Experimentele resultaten en het gebruik hiervan ter bepaling van de beldiameter en de refractie-index zijn echter nieuw. Naast een analytische afleiding van de noodzakelijke formules, werd hierin ook experimenteel aangetoond dat de beldiameterbepaling met behulp van de reflectiecirkels bijna een grootte-orde nauwkeuriger is dan de traditionele diameterbepaling aan de hand van de schaduwdiameter. Maar misschien een nog interessantere toepassing van deze reflectiecirkels is de bepaling van de refractie-index van de vloeistof. We zullen aantonen hoe deze grootheid gemeten kan worden tot op de tweede decimaal nauwkeurig en dit zonder dat enige calibratie nodig is!
Hoofdstuk 7 (gebaseerd op Dehaeck and van Beeck [2007c]) voert echter nog een grotere verbetering van de schaduwtechniek in: Laser Marked Shadowgraphy of LMS. Hierin wordt de schaduwtechniek gecombineerd met de GPVS techniek van hoofdstuk 3 (figuur 1(e)). Op deze wijze, geniet de schaduwtechniek van de goede lokalisatie van het meetvolume die het laservlak van GPVS met zich meebrengt. Dit vermindert de meetonzek- erheid ten gevolge de afstand bel-camera maar verhindert ook dat uit-focus belletjes gemeten zouden worden.
In experimenten wordt aangetoond dat de meetfout tot 20% zou bedragen met de gewone schaduwtechniek, terwijl die nu tot 1% kan beperkt worden met LMS. Daarnaast kan de groottebepaling van bolvormige bel- letjes met GPVS gebeuren, wat tot precisere metingen leidt dan de schaduwtechniek. GPVS heeft echter ook voordeel bij de samenwerking aangezien de robuustheid van de beeldverwerking vergroot wordt. Dit is voor- namelijk omdat een zwarte cirkel met twee intense punten op gekende locaties een veel sterkere ’handtekening’
van de bel levert dan gewoon twee lichtvlekjes die op dezelfde hoogte moeten staan. Deze techniek werd vervolgens toegepast voor het opmeten van beldiameterdistributies in een elektrochemische reactor.
Het enige stuk van de puzzel dat nu nog ontbreekt is een efficiënte calibratiemethode voor de in-focus tech- nieken (GPVS, Schaduwtechniek, Reflectiecirkels en LMS). Dit wordt verholpen in hoofdstuk 8 waarin een algoritme op basis van de Fourier transformatie wordt voorgesteld. Experimenten tonen aan dat deze meth- ode uitermate geschikt is voor het calibreren van typische GPVS experimenten waarbij het meetvlak niet noodzakelijk loodrecht staat op de kijkrichting van de camera. De hierbijhorende verandering van de opti- sche magnificatie met de locatie in de foto, kan perfect opgemeten worden en vervolgens gebruikt worden als calibratiecurve.
Tenslotte worden in hoofdstuk 9 de verschillende meettechnieken met elkaar vergeleken. Deze vergelijking gebeurt op basis van hun werkdomein (afstand camera-bel versus beldiameter), de bereikbare precisie en ook de maximaal toelaatbare concentraties aan bellen. Deze analyses tonen aan dat de verschillende meettechnieken die voorgesteld werden in deze thesis elk hun specifiek toepassingsgebied hebben waarin ze uitblinken. Op basis hiervan kunnen de volgende richtlijnen opgesteld worden:
• Indien de bellen niet bolvormig zijn (i.e. groter dan ± 1mm) is de keuze duidelijk: LMS (hoofdstuk 7). Deze techniek is de enige die kwantitatieve resultaten kan leveren in dit geval. De schaduwtechniek alleen (i.e. zonder het laservlak) kan dit ook maar hierbij is het meetvolume niet goed bepaald. Dit kan leiden tot aanzienlijke meetfouten. Merk wel op dat deze lokalisatie in bepaalde gevallen al gegeven kan zijn door de geometrie, e.g. de belcreatie op één enkel capillair. In dit geval, is een laservlak niet noodzakelijk en is de gewone schaduwtechniek even efficiënt.
• Voor bolvormige bellen zijn er verschillende mogelijkheden. Indien de diameterverdeling van een lage
concentratie van microbelletjes (<0.5mm) gemeten moet worden, dan is ILIDS (hoofdstuk 4) de aangewezen
kandidaat. Met deze techniek kunnen standaard lenzen gebruikt worden op een comfortabele afstand voor
het meten van microbelletjes. Men moet echter wel in rekening nemen dat snelheidsmetingen op basis
van ILIDS beeldjes en de lokalisatie van de belletjes (e.g. voor concentratiemetingen) een grootte-orde
minder nauwkeurig zijn dan de diametermetingen.
SAMENVATTING
• Tenslotte, indien het aantal belletjes in het gezichtsveld te groot is en de ILIDS beeldjes beginnen te
overlappen of wanneer de snelheidsmetingen een betere resolutie nodig hebben of wanneer dicht bij de
wand moet gemeten worden dan zijn in-focus technieken onmisbaar. Voor matige bellenconcentraties
biedt LMS het beste compromis (hoofdstuk 7). De toegevoegde robuustheid in de beeldverwerking ten
opzichte van GPVS is hierbij de doorslaggevende factor. Echter, GPVS (hoofdstuk 3) lijkt de beste op-
tie voor het meten in de hoogste bellenconcentraties. Dit voornamelijk omdat bij GPVS enkel de bellen
tussen het meetvolume en de lens goede metingen kunnen verstoren, terwijl bij LMS (en de schaduwtech-
niek) ook de bellen tussen het meetvolume en de achterkant van de testsectie voor problemen zorgen.
Summary
Bubbly flows appear in many industrial applications. In electrochemistry, bubbles emerge on the electrodes in e.g. hydrolysis of water, the production of chloride and as a side-reaction in metal plating. Bubbles also appear in the continuous casting of steel, waste water treatment, fermentation processes and many other domains.
All of these industries benefit from advances in the experimental bubble measurement devices they use to characterise the bubbly flow.
For measuring the diameter and velocity of these gas bubbles, a non-intrusive, planar measuring technique is preferably used. These techniques have the advantage that they do not disturb the flow and they can provide a spatial overview (e.g. of an entire electrode) with a single measurement. The most common 2D optical technique that satisfies these criteria is backlighting (or shadowgraphy). Here, the bubbles are illuminated from the back and their shadow is recorded by a camera (figure 1(a)). This technique has several disadvantages though. The most important one being that all the bubbles between the light source and the camera are imaged.
Therefore, one does not know the distance between the bubble and the camera precisely. As the magnification of the camera depends on this distance (in general), sizing errors are the inevitable result.
Another technique, called Interferometric Laser Imaging for Droplet Sizing (ILIDS), was developed over 20 years ago but is recently becoming a serious competitor for measuring spherical droplets (Koenig et al. [1986], Ragucci et al. [1990], Glover et al. [1995]). In this technique, a laser-sheet is created and placed at an angle with the viewing direction of the camera. Only droplets in this plane (of several mm thick) are imaged by the camera and therefore, the above mentioned issue with backlighting is almost absent here. ILIDS is based on the fact that light that is scattered towards the camera is coming from specific points on the droplet surface;
the so-called glare points. Although this technique was developed for droplets, the principle is illustrated on bubbles in figure 2. This figure shows that when these glare points are imaged out-focus, an interference pattern as shown in figure 2 (and 1(b)) emerges. The frequency of this interference pattern is used to size the bubble.
In a technique closely related to ILIDS, the camera is placed in-focus and only two glare points are visible as shown in figure 2 and 1(c).
†As demonstrated by Hess [1998], the distance between these glare points can also be used to size the bubble. Throughout the text, this technique will be denoted by Glare Point Velocimetry and Sizing (GPVS).
However, these optical techniques were mainly developed for droplets. Because measuring bubbles is that important for e.g. the electrochemical industry, the main goal of this thesis was to develop non-intrusive 2D optical techniques for bubble sizing. As the investigation of ILIDS on droplets had already shown that this
†Note that other interaction orders also reach the camera but these have a significantly lower intensity and are therefore not visible in the image (or at least for the shown position of the camera).
Figure 1: The five optical 2D measuring techniques that were investigated in this thesis, illustrated on a single
bubble (a) Backlighting (b) ILIDS (c) GPVS (d) Glare Circles (e) LMS
SUMMARY
Figure 2: Principle of GPVS and ILIDS.
technique (and GPVS) has many advantages compared to backlighting, the original aim was to investigate how the measuring principles of GPVS and ILIDS could be transferred to measuring gas bubbles.
The first results in this respect were reported in Dehaeck et al. [2005] (chapter 3). Here, three new configurations were proposed to measure bubbles with GPVS (including the one of figure 2). It was shown numerically how these configurations were more accurate, applicable in larger bubble concentrations and lead to smaller velocity errors than the only configuration known at this time for the measurement of bubbles with ILIDS (Niwa et al.
[2000]). In one of these configurations, a second laser-sheet was used that is opposed to the original one, which creates a third glare point. With this extra information it is possible to measure the refractive index of the liquid, as was shown experimentally. This extra point can also be used to detect non-spherical bubbles. This is vital as numerical simulations have showed that the sizing error on bubbles with a non-sphericity of 10% can go up to 16%! With the proposed configuration, this error can be reduced to approximately 4%.
Chapter 4 then investigates how to implement these improvements in GPVS to bubble measurements with ILIDS (a combination of Dehaeck and van Beeck [2007d] and Dehaeck and van Beeck [2007e]). This resulted in a new ILIDS configuration in which the same non-sphericity detection is achieved with a single laser-sheet.
Next to this, a complete uncertainty analysis of ILIDS was performed for the first time, both for bubbles and droplets. One of the innovative results here was that the sizing error for measuring non-spherical droplets (of 10%) can go up to 5.5% (appendix B). This analysis also showed that the calibration of ILIDS is one of its most important error sources. This fact is relatively unknown in the ILIDS community as most researchers do not mention their calibration procedure, nor the associated uncertainty. To clarify the differences in the various calibration procedures, they were compared theoretically and experimentally. Based on this analysis, it was shown how to optimise the calibration.
As the original goals, i.e. develop new configurations for sizing bubbles with GPVS and ILIDS, were reached in the two previous chapters, other techniques were also investigated or newly developed in the remainder. In this respect, chapter 5 (based on Dehaeck and van Beeck [2007a]) introduces a novel image processing algorithm, which can detect ellipsoidal shadows of a variable size in an image (e.g. figure 1(a)). To this end, the algorithm of Rad et al. [2003], which was already capable of detecting circles, was extended to detect ellipses and made considerably faster.
Chapter 6 (based on Dehaeck and van Beeck [2007b]) investigates the appearance of bright circles inside the
shadows of bubbles as shown on figure 1(d). It will be demonstrated how these circles are also caused by glare
points. In fact, the appearance of these ’glare circles’ was already predicted theoretically by van de Hulst and
Wang [1991] and Bongiovanni et al. [1997]. However, experimental results and the idea to use them to measure
the diameter and refractive index of the bubble has not been demonstrated so far (to our knowledge). Next to
an analytical derivation of the necessary formulae, we show experimentally that bubble diameter measurements
based on this glare circle are approximately one order of magnitude more precise. However, perhaps more
SUMMARY
interesting is the application of this glare circle to measure the refractive index of the surrounding liquid. We demonstrated how to obtain this quantity accurate up to the second decimal without the need for a calibration!
In chapter 7 (based on Dehaeck and van Beeck [2007c]), another improvement of regular backlighting is in- troduced: Laser Marked Shadowgraphy (LMS). This technique is a combination of backlighting and GPVS (figure 1(e)). In this way, backlighting benefits of the good localisation of the measurement volume offered by the laser-sheet. This decreases the sizing error caused by the uncertainty in the distance bubble-camera. It also avoids the sizing of out-focus bubbles. We showed experimentally how regular backlighting could lead to sizing errors of up to 20% due to the sizing of out-focus bubbles whereas LMS can limit this error to 1%. Nev- ertheless, sizing spherical bubbles is done preferably with GPVS due to the increased precision it brings. Now, GPVS also benefits from the collaboration with backlighting as the presence of the circular shadows makes the image processing more robust. This is because a black circle with two bright points at specific locations is a much stronger ’signature’ than just two glare points that should be at the same pixel row. This technique was then applied to measure bubble diameter distributions in an electrochemical reactor.
Now, the only piece of the puzzle that is missing is a good calibration method for the in-focus techniques (GPVS, backlighting, glare circle sizing and LMS). This is remedied in chapter 8 in which an algorithm based on the Fourier transform is proposed. Experiments have shown that this technique is capable of calibrating targets that are placed at an angle with the viewing direction of the camera, a situation quite common in GPVS.
The resulting change in the magnification across the field of view (caused by the varying distance bubble- camera) can be measured and used as a calibration curve to obtain more accurate results.
Finally, in chapter 9, the introduced techniques are compared on the basis of working domain (stand-off distance of the camera versus the bubble diameter), precision and achievable void fraction. These comparisons showed that each presented technique has its own preferred working domain. Thus, the following guidelines were extracted concerning which 2D optical technique to use in a given situation:
• When the bubbles are not spherical (i.e. larger than 1mm) the choice is clear: LMS. This technique was introduced in chapter 7 and is the only technique able to obtain quantitative data in this case. Backlighting can provide this information as well, but its measurement volume is not well-defined. As a result, void fraction measurements are inaccurate and out-focus bubbles are measured as well, which leads to large measurement errors. Note that in some occasions, the localisation can be provided by the experimental set-up, e.g. bubble formation on a single needle, in which case regular backlighting is sufficient.
• When the bubbles are spherical there are different possibilities. When the diameter distribution of a dilute cloud of micro-bubbles (<0.5mm) should be measured, the ILIDS configuration suggested in chapter 4 is probably the best option. With this technique, regular lenses can be used at a comfortable stand-off distance. However, one should take into account that velocity measurements and the localisation of the bubbles for the void fraction maps are one order of magnitude less accurate than the bubble diameter.
• When the void fraction in the bubble cloud is too large to avoid overlapping images with ILIDS or when
the velocity measurements should have a better resolution or when one needs to measure close to the
wall, in-focus techniques are necessary. For moderate bubble concentrations, using LMS (chapter 7)
provides the best compromise. The increased robustness of the image processing over regular GPVS is
its main advantage. However, GPVS (chapter 3) still appears to be the best option to measure in high
bubble concentrations. This is due to the fact that only those bubbles between the measurement volume
and the lens are important and not the ones between the laser-sheet and the backlighting source as for
LMS (and backlighting).
List of Publications
S. Dehaeck, J.P.A.J. van Beeck, and M.L. Riethmuller. Extended glare point velocimetry and sizing for bubbly flows. Experiments in fluids, 39(2):407–419, August 2005. doi: 10.1007/s00348-005-1004-6.
S. Dehaeck and J.P.A.J. van Beeck. Designing a maximum precision interferometric particle imaging set-up.
Experiments in fluids (in press), 2007. doi: 10.1007/s00348-007-0286-2.
S. Dehaeck and J.P.A.J. van Beeck. A clustering approach to ellipse detection. Computer Vision and Image Understanding (submitted), 2007.
S. Dehaeck and J.P.A.J. van Beeck. Multi-Frequency Interferometric Particle Imaging for Gas Bubble Sizing.
Experiments in fluids (submitted), 2007.
S. Dehaeck and J.P.A.J. van Beeck. Simultaneous Determination of Bubble Diameter and Relative Refractive Index Using Glare Circles. Applied Optics (submitted), 2007.
S. Dehaeck and J.P.A.J. van Beeck. Laser marked shadowgraphy. Experiments in fluids (submitted), 2007.
P. Planquart, S. Dehaeck, J.-M. Buchlin, and ML Riethmuller. Experimental investigation of bubbly flow, annular flow and transition in a downward cocurrent two-phase flow. In Abstracts of the 5th International conference on multiphase flows, 2004.
S. Dehaeck, J.P.A.J. van Beeck, and M.L. Riethmuller. Glare Point Velocimetry and Sizing (GPVS): Introduc- tion of a new optical 2D measuring technique for bubbly flows. In 12th International Symposium on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, 2004.
S. Dehaeck and J.P.A.J. van Beeck. Development of a PIV set-up for measuring bubbles. In International Workshop on Micro PIV and Applications in Microsystems, Delft, April 2005.
S. Dehaeck and J.P.A.J. van Beeck. Demonstration and characterisation of a new interferometric particle
imaging configuration for bubbles. In 13th International Symposium on Application of Laser Techniques to
Fluid Mechanics, Lisbon, 2006.
1
Introduction
1.1 Bubbly Applications
Bubbles appear in a myriad of applications in which they can serve different purposes. Sometimes they are vital, sometimes they are a nuisance but sometimes they can even be deadly. To start with a cheerful application, the importance of bubbles in fizzy drinks will be discussed. Anybody would agree that champagne is mostly about the bubbles. Recently, this application and more specifically the birth, rise and collapse of champagne bubbles was studied by Liger-Belair [2003] (under sponsorship of Moët & Chandon and Pommery amongst others!).
A typical picture of a bubble train in champagne from these authors is shown in figure 1.1(a). New bubbles are formed frequently on e.g. fibres from tea towels with a size of several tens of micrometres. In its rise, the bubble continues to grow and accelerate due to the continued absorption of carbon dioxide. At the surface, the bubble will eventually pop and the ensuing rush of liquid to fill the void left by the bubble will result in the creation of a liquid jet, which can be observed in figure 1.1(b). This jet then breaks up in a fine mist of micro- droplets. Next to being fascinating in itself, this whole process is also essential for the taste of champagne. Due to their molecular structure, the aromatic components tend to adhere to the bubble surface. As a result, these aromatic components will rise with the bubble. Liger-Belair [2003] hypothesised that when the bubble finally collapses, these components will be caught in the liquid jet and subsequently in the mist of micro-droplets.
As evaporation progresses faster on small droplets, this would liberate the aroma in a more efficient way than without the effervescence.
The origin of these bubbles can be found in the second alcoholic fermentation, which takes place in the bottle.
As with any (alcoholic) fermentation process, yeasts are injected which convert the sugar present into alcohol
and carbon dioxide. When the bottle is uncorked, this leads to a super-saturation of the champagne with
carbon dioxide, which drives the bubble creation. However, the making of alcoholic beverages is only one
example in which a mass-culture of micro-organisms is used to create useful products. In general, this is
called fermentation and it is a key industrial process that provides essential ingredients for common food,
beverage and pharmaceutical products. The best known example of industrial fermentation is probably the
mass-production of baker’s yeast. Another interesting application is the production of Human Serum Albumin
(HSA) by a genetically modified yeast (Barr et al. [1992], Kobayashi et al. [2000]). HSA is an important protein
component of human plasma and is used in the treatment of severe burns or blood loss. Before the advent of
genetic engineering, HSA was obtained from blood donors. Yet, due the risk of infection (by e.g. HIV) other
production processes were sought for and found with the help of genetics. Currently, a massive amount of yeast
cells, which are genetically engineered to produce HSA, are grown in a medium that is rich in nutrients. From
CHAPTER 1. INTRODUCTION
Figure 1.1: (a) Bubbles rising in a glass of champagne (b) Liquid jet formed upon the collapse of a bubble.
(Photographs courtesy of Gerard Liger-Belair)
the necessary nutrients, the delivery of oxygen imposes the most stringent limitation due to the low solubility of oxygen in water. Therefore, air and even pure oxygen bubbles are pumped into the system to enhance the mass transfer. Nevertheless, studies have shown that scaling up these bioreactors often results in a dramatic loss of productivity (sometimes up to 50%!) due to the poor aeration of the tank (Moo-Young and Blanch [1981]). As a result, different ways to obtain a more homogeneous bubble distribution and avoid ’dead zones’ where cells could be oxygen-starved are being examined. Another improvement in the oxygen delivery that is investigated is the use of smaller bubbles. This results in a higher oxygen delivery due to the increase in both the interfacial area and the hold-up time of the bubbles. As a result, sparging with micro-bubble dispersions (MBD) is under heavy research as it provides bubbles with diameters of 20-1000 µm compared to 3-5 mm in normal fermenters (Kaster et al. [1990]).
Finally, another application where bubbles arise is in cardiac surgery. During such a procedure, the blood is deviated through an extra-corporeal circuit. Micro-bubbles can be entrained through the connection between the device and the artery and get pumped around the body. These gaseous micro-emboli then can get trapped and block small arteries at different locations, thus causing severe damage. The most dangerous location to get trapped is obviously the brain. This can lead to neurocognitive impairment or death. In fact, studies have reported that 50-70% of the patients undergoing coronary artery bypass grafting surgery experience some sort of neurocognitive impairment in the week following the surgery. Luckily, some of these micro-emboli dissolve/disappear and only 30-40% still have the symptoms after 3 months (e.g. Shaw et al. [1985]). As a direct result, studying the capacity of these extra-corporeal circuits to remove some of the entrained bubbles (or reduce them in size), as done by Dickinson et al. [2006], literally becomes a matter of life or death.
1.2 Overview of Bubble Sizing Techniques
1.2.1 Introduction
The above mentioned applications have in common that a detailed characterisation of the bubbles is necessary for the optimisation of the corresponding systems. When looking at the available tools for measuring bubble sizes, we note that there are many different techniques available based on very different physical principles.
An overview of several of these techniques will be given next. However, only techniques capable of measuring
bubble diameter distributions will be discussed. As a result, capacitance measurements and other techniques
which only measure void fractions, i.e. the volumetric concentration of air in the measurement volume, will
not be discussed.
1.2. OVERVIEW OF BUBBLE SIZING TECHNIQUES
Figure 1.2: (a) Release of a bubble from an injection needle (b) Registered pressure fluctuation from the release in (a) (Pictures and pressure profile reproduced from Manasseh [2004] with permission)
1.2.2 Acoustical Measurements
1.2.2.1 Passive Acoustics
Bubbles are a particularly well-suited target for acoustical measurements as the damping on volumetric os- cillations is rather small (e.g. Leighton [1994]). As a result, bubbles will oscillate when they detach from an injection needle, growing and shrinking with a frequency which is inversely proportional to their diameter (Minnaert [1933]). The proportionality constant depends on the liquid pressure and density and only marginally on the surface tension (Longuet-Higgins et al. [1991]). Now, these oscillations create an oscillating pressure field, i.e. a sound that can be heard by a human ear for bubbles larger than 0.3mm in water.
Now, the creation of sound upon release is used in passive acoustics to size the bubbles. Pictures from Manasseh [2004] of the release and the registered pressure fluctuation are shown in figure 1.2(a) and (b) respectively.
∗The greyed-out area in the transducer output corresponds to the time in which the images were taken. The frequency of the registered fluctuation is then extracted and used to size the released bubble. However, as Manasseh et al. [2001] showed, the frequency of the sound shifts as the bubble continues to oscillate, possibly due to the asymmetrical nature of the release. Thus, only the first periods of the sound can be used for quan- titative measurements. Nevertheless, successful measurements have been performed by Manasseh [2004] in an industrial scale bioreactor. In a way, these tests also highlighted some of the advantages of this technique.
Bubbles of ± 1mm can be measured with regular hydrophones, which can be integrated into working reactors.
Additionally, the signal processing can be performed in real time and the amount of data recorded is moderate (certainly compared to storing thousands of digital images). Therefore, this technique is an excellent tool for the supervision of industrial processes.
1.2.2.2 Linear Active Acoustics
For bubbles smaller than 300µm, regular hydrophones cannot detect the high frequencies involved and spe- cialised equipment becomes necessary. In addition, the intensity of the emitted sound decreases with the di- ameter squared making passive acoustics virtually impossible (Manasseh [2004]). In this case, more or less an inverted approach is preferred. Sound of different frequencies is sent into the flow and the attenuation, reflection or propagation of this sound by the presence of a bubble cloud is recorded and investigated. For measurements based on the attenuation, one uses the fact that bubbles absorb much more energy of the fluctuating pressure field when the frequency is close to its own natural frequency (which is determined by its radius). As a result, the amount of attenuation at a particular frequency is proportional to the amount of bubbles that are resonating.
Therefore, probing the flow with different frequencies allows one to obtain a bubble size distribution. Some of the possible configurations are reviewed by Vagle and Farmer [1998] for the measurement of bubbles in breaking waves. However, these measurements require the assumption that the bubbles are homogeneously
∗On the pressure transducer output shown, a negative voltage corresponds to a positive pressure.