Development of a method using infrared thermography for shallow flow visualization and quantitative estimation of velocity

Abstract

O desenvolvimento de técnicas precisas e versáteis de medição de velocidade e de caudal é crucial para as diversas áreas da hidráulica, hidrologia e recursos hídricos. Existem inúmeras opções disponíveis que proporcionam bons resultados, mesmo quando confrontadas com condições desfavoráveis. No entanto, todos os métodos apresentam vantagens e limitações para diferentes situações. Em particular no caso de medições em escoamentos em superfície livre de pequenas profundidades, é sempre complicado efectuar medições uma vez que a maior parte dos equipamentos necessitam de profundidades mínimas para funcionarem correctamente (e.g. molinetes mecânicos) ou, por outro lado, a inevitável interferência causada pelas condições de fronteira que podem afectar significativamente os resultados (e.g. reflexão de ondas dos ADCPs). Os métodos baseados em traçadores, apesar de contribuírem para superar algumas dessas limitações, são ainda bastante polémicos como, por exemplo, no caso dos líquidos corados e radioactivos que podem facilmente levantar preocupações ambientais. Esta tese descreve uma técnica inovadora para estimar a velocidade, utilizando a termografia por infravermelhos para estimar as velocidades médias de escoamento, com base no tempo de percurso de traçadores térmicos. A instalação experimental é composta por uma câmara termográfica instalada em cima de um canal que monitoriza de forma contínua o escoamento. São utilizados diversos métodos para aquecer o fluido escoado, de forma a utilizar a água quente como traçador térmico. As imagens gravadas podem então ser analisadas com o objectivo de estimar a velocidade de escoamento. Foram realizados alguns testes iniciais e foi comprovado que os resultados estão em conformidade com os resultados obtidos através da utilização de um ADV, uma técnica de medição de velocidade reconhecida. Foram também realizados outros testes para analisar quais os procedimentos com melhores resultados. Esta técnica revelou potencial como técnica de visualização do escoamento, deixando espaço para futuros estudos. O uso da termografia tem vindo a aumentar nos últimos anos e esta tecnologia já foi utilizada com sucesso em diversos estudos na área da hidrologia e hidrogeologia. É uma técnica com potencial em escoamentos pouco profundos devido à sua capacidade de monitorização de temperaturas.

The development of accurate and versatile flow measurement techniques is of crucial importance for hydraulics, hydrology and water resources applications. There is a wide range of options available that provide good results even under unfavorable conditions. However, all methods have their own strengths and limitations. Measurements in shallow water depths are inherently complicated, often colliding with minimum working depths of equipment (e.g. mechanical current meters), or affected by the inevitable interference of boundary conditions (e.g. reflection of waves of ADCPs). Tracer methods contribute to surpass some of these limitations, however they still raise some concerns namely the use of dyes that can cause environmental concerns. This thesis describes a novel technique for velocity estimation that uses infrared thermography to estimate mean flow velocity, based on time of travel. The experimental setup consists in an IR camera hanged pointing downwards above a flume, continuously recording the flow. Several methods are then used to heat the flow and the hot water acts as a heat tracer that is visible through thermography. The recorded images can then be analyzed to compute velocity. Proof of principle experiments were performed and results are in accordance with the results obtained by the use of an ADV, a well-established velocity measurement technique. Other initial tests were also performed to infer about the most efficient procedures. This technique also revealed some potential as a flow visualization technique, and leaves space for future studies and research. The use of thermography technology has increased in the last years; it has already been successfully used in hydrology and hydrogeology and can be a useful technique due to its capacities to monitor temperature distribution in shallow flows