Aplicação e Desenvolvimento de uma Técnica PTV para o Estudo Detalhado do Escoamento ao redor de Bolhas de Gás

Abstract

A caracterização de escoamentos multifásicos gás-líquido, especialmente na vizinhança de bolhas de gás, apresenta desafios devido aos efeitos ópticos das interfaces. Desde 2015, o grupo de Escoamentos Multifásicos do SINMEC tem desenvolvido metodologias para superar essas limitações. Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma técnica de PTV (Particle Tracking Velocimetry) para segmentação de partículas traçadoras e obtenção de campos detalhados de velocidade da fase contínua a partir de imagens.

A metodologia baseou-se na combinação da PTV com o rastreamento de bolhas, oferecendo maior resolução espacial que a PIV, principalmente junto às interfaces. Foram rastreadas trajetórias de bolhas em ascensão, obtidos campos instantâneos de velocidade e construídos campos médios a partir de múltiplas realizações experimentais. Como a bancada experimental do projeto CO2Water (SIGPEX 202317395) ainda está em fase de implantação, recorreu-se ao uso de imagens sintéticas geradas com o pacote synpivimage, enquanto o trackpy foi empregado na localização e rastreamento das partículas. O cálculo dos campos médios de velocidade foi realizado com base na metodologia de Cerqueira et al. (2021).

A execução do plano de atividades seguiu em conformidade com o cronograma submetido. A ambientação ao framework Python e ao pacote synpivimage foi realizada no início do ciclo, permitindo a geração e processamento de imagens sintéticas. Em seguida, aplicaram-se as rotinas existentes para validação da metodologia, e desenvolveu-se uma técnica de segmentação voltada às partículas traçadoras. O emprego do software de PTV possibilitou calcular velocidades instantâneas com resolução superior à PIV (2 pixels). Posteriormente, foram implementadas ferramentas para análise em referencial móvel, mantendo o centro da bolha fixo e detalhando o escoamento próximo à interface. Com essa adaptação, obteve-se a visualização de partículas inicialmente estáticas, enriquecendo a caracterização do campo de escoamento. Por fim, os campos instantâneos foram consolidados em 150 realizações simuladas, permitindo calcular campos médios de velocidade que se mostraram aproximadamente constantes ao longo do tempo.

Conclui-se que, apesar da necessidade de adaptação devido à ausência da bancada experimental e da entrada do bolsista como substituto no meio do ciclo, os resultados alcançados foram consistentes e satisfatórios. A técnica PTV mostrou-se eficaz, validada com imagens sintéticas, e demonstrou robustez no rastreamento e na análise em referencial móvel. Como próximos passos, prevê-se aplicar a metodologia em resultados de CFD e incorporar técnicas de deep learning para lidar com múltiplas bolhas e escoamentos mais complexos.