Three-Dimensional Concentration Measurement in Turbulent Flows through Advanced Magnetic Resonance Imaging (MRI) Techniques

Abstract

[ES] Esta tesis explora el refinamiento y la optimización de las técnicas de Concentración por Resonancia Magnética (MRC) para la medición tridimensional de la concentración en flujos turbulentos. Basándose en metodologías establecidas, la investigación introduce prácticas avanzadas para reducir la incertidumbre de la medición, especialmente en escenarios de baja concentración. El flujo turbulento se genera mediante la inyección de CuS04 en una sección de prueba que contiene edificios rectangulares que simulan un área urbana, a través de la cual fluye agua. La mezcla entre el agua y el CuSO4 en la estela de los edificios genera el flujo turbulento capturado y estudiado utilizando la máquina de IRM ubicada en la Universidad de Illinois en Urbana Champaign. La concentración de CuSO4 varía para investigar cómo afecta a la señal media y la resolución de los resultados.

Se realizan tres estudios a lo largo de esta tesis 1. Escáner de prueba: Investigación de MRC en viales de CuSo4 con concentraciones variables, lo que permite la determinación de la señal media, la resolución y los parámetros de escaneo para cada concentración de CuSO4 2. Escáner de calibración : Investigación de MRC en un bucle con la sección de prueba para la calibración con el fin de establecer la relación lineal entre la magnitud de la señal y la concentración, los ajustes de escaneo y la concentración de referencia. 3. Escáner principal: Investigación de MRC en la sección de prueba para investigar la optimización de las técnicas de Concentración por Resonancia Magnética (MRC) para medición tridimensional de la concentración en flujos turbulentos con la concentración de referencia calculada a partir del escaneo de calibración.

A través de la validación experimental y la comparación con métodos de referencia, se demuestra la eficacia de estas mejoras. El estudio aborda los desafíos y limitaciones de la MRC, presentando soluciones para mejorar la precisión y confiabilidad, con un enfoque en aplicaciones en contextos urbanos y ambientales donde el mapeo preciso de la concentración es crucial para la evaluación y mitigación de riesgos. Al proporcionar conocimientos y metodologías integrales, este trabajo tiene como objetivo aumentar la accesibilidad y aplicabilidad de la MRC en diversos dominios de investigación que requieren mediciones precisas de campos de concentración

[EN] This thesis explores the refinement and optimization of Magnetic Resonance Concentration (MRC) techniques for three-dimensional concentration measurement in turbulent flows. Building upon established methodologies, the research introduces advanced practices to reduce measurement uncertainty, particularly in low-concentration scenarios. Turbulent flow is created by injecting CuSo4 in a test section containing rectangular buildings that simulate an urban area, through which water flows. The mixing between the water and the CuSO4 in the wake of the buildings generates the turbulent flow captured and studied using the MRI machine found at the University of Illinois at Urbana Champaign. The concentration of cUsO4 varies to investigate how it affects the mean signal and resolution of results.

Three studies are conducted throughout this thesis: 1. Trial scan: MRC investigation on CuSo4 vials with varying concentrations, enabling the determination of the mean signal, resolution, and scan parameters for each CuSO4 concentration. 2. Calibration scan: MRC investigation in a loop with the test section for calibration to establish the linear relationship between signal magnitude and concentration, scan settings, and reference concentration. 3. Main scan: MRC investigation on the test section to investigate the optimization of Magnetic Resonance Concentration (MRC) techniques for three-dimensional concentration measurement in turbulent flows with the reference concentration calculated from the calibration scan.

Through experimental validation and comparison with baseline methods, the efficacy of these enhancements is demonstrated. The study addresses the challenges and limitations of MRC, presenting solutions to improve accuracy and reliability, with a focus on applications in urban and environmental contexts where precise concentration mapping is crucial for risk assessment and mitigation. By providing comprehensive insights and methodologies, this work aims to increase the accessibility and applicability of MRC in diverse research domains in need of accurate concentration field measurements.