Numerical Study of an Ultrasonic Multi-Scattering Approach for Turbidity Measurements
Author
Johansen, Nicolaj Winther
Term
4. term
Education
Publication year
2017
Submitted on
2017-06-01
Pages
89
Abstract
This thesis explores whether ultrasound can serve as a low-maintenance, low-cost alternative to conventional optical turbidity sensors, which typically require a transparent window prone to fouling. The primary objective is to develop and assess a model-based design tool for an ultrasonic turbidity sensor that relies on multi-scattering from suspended particles. The tool’s modeling framework has two stages: (1) compute particle positions in a given sensor geometry using CFD and particle tracing, and (2) perform frequency-domain acoustic simulations to obtain the scattering field from the resulting particle distributions. A theoretical study of single-particle scattering is used to identify key parameters, with particle size, material, and ultrasonic frequency being most influential. The study considers spherical particles with radii of 5–10 µm, concentrations of 100–6000 particles per mL, and materials Silica, Polystyrene, or ideal rigid particles. While flow velocity strongly affects particle positions, the measurable multi-scattering response depends mainly on particle concentration, size, and material. For numerical tractability, the intended incident frequency is reduced from 10 MHz to 2 MHz, which lowers the multi-scattering amplitude; this can be approximated within about 5% by upscaling particle size, assuming rigid particles and an average inter-particle spacing of at least ten diameters. Parameter sweeps further show that the RMS multi-scattering amplitude follows a single-term power relationship with particle concentration (R² ≈ 0.99), and that material choice affects the response. Overall, the results indicate that the developed numerical tool is useful for visualizing scattering fields, exploring design parameters, and supporting model-based design of ultrasonic turbidity sensors.
Denne afhandling undersøger, om ultralyd kan bruges som et vedligeholdelsesvenligt og omkostningseffektivt alternativ til optiske sensorer til turbiditetsmåling, som normalt kræver et gennemsigtigt vindue, der ofte tilgror. Projektets hovedformål er at udvikle og afprøve et modelbaseret designværktøj til en ultralyds turbiditetssensor baseret på multispredning fra suspenderede partikler. Værktøjets modelleringsramme er todelt: Først beregnes partikelpositioner i en given sensorgeometri ved hjælp af CFD og partikelsporing; dernæst simuleres det akustiske spredningsfelt i frekvensdomænet ud fra de beregnede partikelpositioner. En teoretisk analyse af spredning fra en enkelt sfærisk partikel bruges til at identificere de vigtigste parametre, hvor partikelstørrelse, materialetype og ultralydsfrekvens har stor betydning. I studiet betragtes sfæriske partikler med radius 5–10 µm, koncentrationer på 100–6000 partikler per mL og materialerne Silica, Polystyren eller ideelt stive partikler. Flowhastigheden har stor indflydelse på partikelpositionerne, mens den målbare multispredningsrespons primært afhænger af partikelkoncentration, størrelse og materiale. Af numeriske hensyn reduceres den påtænkte frekvens fra 10 MHz til 2 MHz, hvilket sænker multispredningsamplituden; dette kan dog approximere den oprindelige amplitude inden for ca. 5 % ved at opskalere partikelstørrelsen, forudsat stive partikler og en gennemsnitlig indbyrdes afstand på mindst ti partikeldiametre. Parametergennemløb viser desuden, at RMS-multispredningsamplituden som funktion af partikelkoncentration kan beskrives med en et-leds potenssammenhæng (R² ≈ 0,99), og at materialevalg påvirker responsen. Samlet set indikerer resultaterne, at det udviklede numeriske værktøj er nyttigt til at visualisere spredningsfelter, udforske designparametre og støtte modelbaseret design af ultralyds-baserede turbiditetssensorer.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]