Dynamic tracking of structures in multiphase flows by ultrafast X-ray tomography and image based scanning steering
Fluid Mechanics
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes sollte die ultraschnelle Röntgencomputertomographie (UFXCT) dahingehend weiterentwickelt werden, dass sie in der Lage ist, einzelnen Strukturen in axial ausgedehnten Strömungsapparaten in Echtzeit zu folgen. Dabei sollte es möglich sein, Informationen über die Strömungsentwicklung zu erfassen. Im Rahmen des Projekts wurde daher zunächst ein Gesamtregelungskonzept entwickelt, das die erforderlichen Spezifikationen erfüllt. Um ein sicheres Objekt-Tracking bei gleichzeitig umfangreichem Informationsgewinn für verschiedene Strömungsszenarien zu gewährleiten, wurden drei Regelungskonzepte ausgearbeitet. Für deren Validierung wurden unterschiedlich detaillierte Softwarephantome generiert. Hardwareseitig wurden die Detektormodule des UFXCT-Scanners über einen ausreichend schnellen 40 GbE Switch mit einer Workstation mit ausreichend großen und schnellen Datenspeicher mit geringem Zeitversatz verbunden. Um die Online-Datenübertragung zu realisieren wurde das Hardware-Programm der auf den Detektormodulen befindlichen FPGAs bzgl. der Datenübertragungsgeschwindigkeit optimiert. Um die Rohdaten des UFXCT-Scanners anschließend in Echtzeit abspeichern und verarbeiten zu können, wurde das vom KIT bereitgestellte UFO-Framework modifiziert und entsprechende Hardware in der Workstation bereitgestellt. Dementsprechend wurden auch die Datenerfassungssoftware und die UFXCT-Scanner-Steuerung modifiziert. Anschließend wurden Performancetests der neuen Datenerfassungs- und Datenverarbeitungs-Hard- und Software durchgeführt. Im Ergebnis konnte selbst in der höchsten Bildauflösung von 256 × 256 Pixel eine Latenz von unter 5 ms erreicht werden. Um schließlich den UFXCT-Scanner entlang einer definierten Strömungsteststrecke mitfahren lassen zu können, wurde eine entsprechend dimensionierte translatorische Nachführeinheit inklusive Steuerung entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Die entwickelten Regelungskonzepte wurden in einem entsprechenden Experiment erfolgreich getestet. Trotz des hohen Scanner-Gewichts sind Beschleunigungen von bis zu 0,5 m/s² und eine maximale Geschwindigkeit von 0,5 m/s möglich. Die finale Validierung der Echtzeitsteuerung, der Blasenidentifikation und der Nachführung des UFXCT-Scanners basierend auf realen und in Echtzeit rekonstruierten CT-Messdaten musste bedingt durch die COVID-19 Situation und der damit limitierten Verfügbarkeit des UFXCT-Scanners vor Ort etwas abgeändert werden. Anstatt den kompletten Scanner zu verfahren, wurde eine Hohlkugel durch die beiden Messebenen geführt und dessen vorprogrammiertes Bewegungsprofil mit dem in Echtzeit berechneten Bewegungsprofil der entwickelten Regelungen überlagert, sodass die gleiche Relativbewegung durchgeführt werden konnte. Das translatorische Verfahren des UFXCT- Scanners wurde separat wie oben beschrieben getestet. Beide Tests verliefen erfolgreich. Das finale Experiment mit Echtzeitbildanalyse und translatorischem Verfahren des UFXCT-Scanners steht noch aus und soll im Rahmen des bereits durch Prof. Uwe Hampel beantragten Nachfolgeprojekts durchgeführt werden.
Publications
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