Development and Application of Advanced Algorithms for Computed Tomography
Der Verbrennungsprozess einer realen physikalischen reaktiven Strömung ist von Natur aus dreidimensional (3D). Um die Physik des komplexen Zusammenspiels zwischen Reaktionskinetik und Strömungsdynamik räumlich zu erfassen, werden moderne Diagnosewerkzeuge benötigt. Tomographische Methoden haben sich in vielen realen Anwendungen bewährt und wurden schon früh mit optischen Messkonzepten zur Verbrennungsdiagnostik kombiniert. Ein optisches bildgebendes System, d.h. ein Array von Digitalkameras, zur Vermessung der Flamme aus vielen Richtungen (erforderlich für Tomographie) ist kostengünstig einsetzbar und kann meist in angemessener Zeit eingerichtet werden, was für industrielle Anwendungen relevant ist. In diesem Rahmen wurde eine neue Rekonstruktionstechnik entwickelt, die auf drei verschiedene Arten und in Kombination mit Multisimultanmessungen verschiedener Modalitäten angewandt wurde. Dabei wurde ihre Vielseitigkeit bei Experimenten mit turbulenten Flammen sowohl im Labor als auch in industriellen Versuchsanlagen unter Beweis gestellt. In allen Fällen wurden tomographische Rekonstruktionen von Gasströmungen in 3D unter Verwendung des Basiskonzepts genetischer Algorithmen durchgeführt. Dieses Konzept wird als evolutionäre Rekonstruktionstechnik (ERT) bezeichnet. Das erste Konzept umfasste die Erstellung eines Algorithmus zur Rekonstruktion des Flammenleuchtens auf der Grundlage von Messungen verschiedener Emissionssignale (ECTE), wie z.B. der Chemilumineszenz. Der zweite Algorithmus, die evolutionäre hintergrundorientierte Schlieren-Tomographie (EBOST), stellt die erste erfolgreiche Anwendung einer evolutionären Technik auf BOST dar, um die inhomogene Brechungsindexverteilung in reaktiven Strömungen zu rekonstruieren. Die Methode kann aber auch in Anwendungen mit nicht-reaktiven Strömungen eingesetzt werden. Das dritte Konzept ist die gekoppelte ERT (CERT), die im Wesentlichen auf der Kombination von ECTE und EBOST im Rahmen einer Mehrzieloptimierung beruht. Die CERT ermöglicht die Analyse der 3D-Krümmungsverteilung von Flammenstrukturen und wurde erstmals in einem Experiment mit hochturbulenten, geschichteten Flammen eingesetzt und validiert Die erfolgreiche Durchführung eines tomographischen Experiments erfordert die Kalibrierung des Messaufbaus, der sich aus kameraspezifischen Modellparametern zusammensetzt und im Falle von BOST, welches auf gemessenen Ablenkungen in Hintergrundmustern beruht, Orientierungs- und Ortsparameter. Für das vorgestellte Rekonstruktionskonzept wurden Kalibrierungsroutinen für die jeweiligen Setups entwickelt, ausgiebig anhand von Phantomstudien (mit exakt bekannten numerischen Daten) getestet und in Experimenten angewendet. Es wurde gezeigt, dass die ERT in der Lage ist nichtlineare tomographische Probleme zu lösen, wie z.B. bei Anwendungen der EBOST-Methode, die nichtlineares Ray-Tracing für die Auswertung einer Zielfunktion verwendet, und nicht-lineare/nicht-konvexe Mehrzielrekonstruktionen, welche bei Anwendungen der CERT-Methode behandelt wurden. Dies sind Aufgaben, die mit klassischen Rekonstruktionsmethoden in der Regel nicht gelöst werden können. Die entwickelten Methoden nutzen massiv parallelisierte Berechnungen auf grafischen Prozessoren, um den Kalibrierungs- und Rekonstruktionsprozess zu beschleunigen und die effiziente Implementierung neuer Funktionen und physikalischer Modelle für ein ganzheitliches Verständnis der 3D-Natur von (reaktiven) Strömungen zu ermöglichen.
The combustion process of a real physical reactive flow is three-dimensional (3D) by nature. Modern diagnostic tools are needed to capture the physics of the complex interplay between reaction kinetics and flow dynamics to their full spatial extent. Tomographic methods have proven themselves in many real-world applications and were combined with optical measurement concepts for combustion diagnostics early on. An optical imaging system, i.e., an array of digital cameras, for the measurement of the flame from many directions (required for tomography) can be employed on a cost-effective basis and can be set up most often in a sensible time frame, which is relevant for industrial applications. Within this scope, a new reconstruction technique has been developed, which was applied in three different ways and in combination with multi-simultaneous measurements of different modalities, showing its versatility in experiments involving turbulent flames in both the laboratory and industrial test facilities. In all cases tomographic reconstructions of gaseous flows in 3D were performed using the base concept of genetic algorithms. The concept used is termed evolutionary reconstruction technique (ERT). The first concept involved the generation of an algorithm for the reconstruction of the source of illumination in a flame, based on measurements of different emission signals, such as chemiluminescence, and is called evolutionary computed tomography of emission (ECTE). The second algorithm, named evolutionary background-oriented schlieren tomography (EBOST), marks the very first successful application of an evolutionary technique to BOST for reconstructing the inhomogeneous refractive index distribution in reacting flows, but it can also be deployed for non-reacting cases. The third concept is called the coupled ERT (CERT), which is essentially based on the combination of the ECTE and EBOST in a multi-objective optimization framework. The CERT facilitates analysis of the 3D curvature distribution of flame structures and was first demonstrated and validated in an experiment using highly turbulent stratified flames. The successful execution of a tomographic experiment requires the calibration of the complete measurement scene, which comprises camera specific model parameters and in the case of BOST, that is based on measured deflections in the pattern of backgrounds behind the flow, plane orientations and location parameters. For the reconstruction framework presented in this thesis, calibration routines of the respective setups were developed, extensively tested using phantom studies (using exactly known numerically-generated data) and applied in experiments. It is shown that the ERT is able to cope with non-linear tomographic problems, such as in the EBOST which features non-linear ray-tracing for the evaluation of its objective function, and non-linear/non-convex multi-objective reconstructions, which are performed in applications of the CERT method. These are tasks which classical reconstruction methods typically fail to implement. The developed methods harness massively parallelized computations on graphical processors to speed up the calibration and reconstruction process and to allow for the efficient implementation of new features and physical models for a holistic understanding of the 3D nature of (reacting) flows.