doppler global velocimetry

MÉTODOS EXPERIMENTAIS EM ENERGIA E AMBIENTE
DGV
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Jorge Azevedo
Lisboa, 13 de Outubro de 2004
Objectivos
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
1. Introdução: Definição e Motivação, Descrição Geral,
Características, Comparação com Outros Métodos
2. Fundamentos Teóricos
3. Sistemas DGV: Metodologia, Componentes, 3D,
Análise de Incerteza
4. Aplicações
5. Futuro
6. Referências
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Introdução
Definição
Definição: Técnica de velocimetria laser “planar” que recorre a filtros
moleculares para detectar a mudança de frequência (doppler shift) da
radiação laser dispersa por partículas presentes no escoamento.
Motivação
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Introdução
Definição
Definição: Técnica de velocimetria laser “planar” que recorre a filtros
moleculares para detectar a mudança de frequência (doppler shift) da
radiação laser dispersa por partículas presentes no escoamento.
Motivação
 Económica:
 Ensaios em grandes túneis de vento são caros.
 Caracterização rápida e detalhada do escoamento.
 Grandes quantidades de informação para o projectista ou
investigador.
 Científica

Investigação de escoamentos transientes.
 Multi – Propriedades.
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Introdução
Descrição Geral
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Introdução
Características

Necessita de partículas (seeding).
Técnica óptica, não intrusiva.
 Permite capturar campos de vectores de velocidade
globais num plano.
 Permite medições instantâneas em escoamentos
transiente.
 Variações de escala.
Introdução
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Vantagens em Relação a Outros Métodos (LDA, PIV)
 Rapidez de funcionamento (> 24 Hz) e de processamento
(segundos).
 Não é necessário discriminar partículas individuais:
 Uso de partículas muito pequenas (pó, cinzas).
 Pouco sensível a flutuações de densidade.
 Resolução elevada (mais de 20000 pontos por plano).
 Funciona em aplicações com condições de acesso a nível óptico
pobres.
 Facilidade de retirar as 3 componentes de velocidade.
 Simplicidade quando comparado com métodos como SPIV ou
HPIV.
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Teoria
Scattering
6ªordem
3ª ordem
reflecção
Feixe incidente
-2
2
np > nm
nm
1
np
-1
1
1ª ordem
2 refracção
4ª ordem
8ª ordem
5ª ordem
-1
2ª ordem
-2
refracção
7ª ordem
Efeito Doppler
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Teoria
Scattering
Diâmetro (d) da molécula
ou partícula
 d > 1/10 λ  Mie
Scattering
 d < 1/10 λ  Rayleigh
Scattering
a)
b)
Efeito Doppler
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Teoria
Filtros Absorção Molecular
 Célula Óptica com Gás.
 Espectro de Absorção na
gama de frequências de um
Laser Ar+ ou Nd:Yag.
Teoria
Espectro de absorção do Iodo
na gama de frequências de um
Laser Nd:Yag
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Lei de Beer
Coeficiente Absorção
Espectral
Linha de Absorção do Iodo a
aproximadamente 18789.28 cm-1
Teoria
Declive da Linha de Absorção
 Natural Broadening.
Temperature (Doppler)
Broadening.
 Pressure (Collisional) Broadening.
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Teoria
Critérios de Escolha do gás
 Compatibilidade Laser \ Gás.
 Peso Molecular e Temperatura.
 Isolamento Linhas de Absorção.
 Gama de variação das Linhas
de Absorção.
 Comprimento de onda das
Linhas de Absorção.
Iodo:
 M = 254.
 Pressão de vapor elevada
a baixas temperaturas.
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Teoria
Aplicações Filtros Moleculares
a) Visualização de Escoamentos
Esquema FRS típico 
b) Medição de Velocidades
Teoria
Aplicações Filtros Moleculares
c) Propriedades Termodinâmicas
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Teoria
Aplicações Filtros Moleculares
Transmission Ratio (TR) = I / I0.
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Sistemas DGV
Seeding
Resposta a mudanças de velocidade do
escoamento.

 Transonic Flow – 0.5 μm, ρ = 1.
 Capacidade de seguir oscilações turbulentas.
 10 KHz a 1% – 0.8 μm , ρ = 1.
 Eficiência da dispersão luminosa.
 Intensidade luminosa.
 0.5 μm – 10 a 20 mJ.
Sistemas DGV
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Componentes: Laser e Sistema Óptico





Frequency overlap com o filtro de Iodo.
Narrow Linewidth.
Frequency Tunability.
Integração com os outros componentes.
Resolução Temporal.
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Sistemas DGV
Componentes: Laser e Sistema Óptico
Estacionário

Laser cw Ion-Argon
 λ = 514.5 nm, Largura Banda 10
MHz.
 Económicos.
 Sincronização mais fácil.
 Potência baixa.
 Gama de variação de frequência
limitada (70 a 140 MHZ).
 Scanning Mirror.
Laser
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Sistemas DGV
Componentes
Transiente

Laser Nd:Yag
 λ = 532 nm.
 Duração de Pulsos 10 ns.
 Largura Banda 100 MHz.
 Oscilações entre pulsos de 10 MHz.
 Condições Adversas  Oscilações de 40 MHz.
 Sistema de lentes convexas e cilíndricas .
 Monitorização de Frequência.
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Sistemas DGV
Componentes
Sistemas DGV
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Componentes: Células de Iodo
Starved Cell Design
Características
 340 < T < 380 K
 310 < T12 < 325 K
 Precisão ± 0.5 K
 d = 7.5 cm
 10 < L < 20 cm
Sistemas DGV
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Componentes: Receptores
 Fotomultiplicadores: Malha de elementos
fotosensíveis que acumulam cargas eléctricas geradas
pela incidência dos fotões.
Requisitos
 Fotodiodos: mais resistentes, inversão
da sentido da
corrente devido à luz incidente
 Alta Sensibilidade
 Bom signal-to-noise ratio
 Períodos de Integração Longo
(para valores médios)
 Capacidade de Discretização
Elevada (tipicamente 12 bits)
Sistemas DGV
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Componentes: Receptores
Câmaras CCD
 Pequena Distorção Geométrica
Estabilidade Térmica
Sistemas DGV
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Processamento de Dados
 Calibração das células de Iodo.
 Mapeamento das imagens de referência e sinal numa grelha
idêntica.
 Calibração das câmaras CCD.
 Convolução das imagens de referência e sinal e cálculo de
velocidades.
Sistemas DGV
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Processamento de Dados
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Sistemas DGV
Metodologia
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Sistemas DGV
Time-Averaged
3-D
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Sistemas DGV
3-D
Unsteady
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Sistemas DGV
3-D
Sistemas DGV
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Análise de Incerteza
 Erros na medição da frequência do laser (± 3 MHz).
 Erro na calibração da célula de iodo (± 3 MHz).
 Instabilidade na célula de iodo (± 0.1 K  2 MHz).
 Erro devido a desalinhamento das imagens de referência e de
sinal.
 Variações Intensidade.
 Polarização.
 Erro introduzido pelo sistema de gravação.
 Thermal Noise (Dark Current).
 Read-Out Noise.
 Shot Noise (N) -0.5.
 Actualmente  Erros na ordem de 0.5 ms-1.
Aplicações
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
 Projecto Turbinas de Gás
 Estudos Aerodinâmicos em Automóveis
 Desenho de Aviões
 Experiências em Túneis de Vento
 Estudos de Turbulência
 Combustão
Aplicações
 Projecto Turbinas de Gás
Desenho de Aviões
 Experiências em Túneis de Vento
 Combustão
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Aplicações
 Projecto Turbinas de Gás
Combustão
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Futuro
 Diminuição dos erros experimentais.
 Melhorar a exequibilidade do sistema.
 Novas combinações laser – filtro molecular.
 Two – Color DGV.
 Sistemas Mistos (PIV + DGV).
 Multi – Propriedades.
 Medições Pontuais em transiente.
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Referências
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
 www.iop.org/journals/mt
 www.holomap.com
 National Air and Space Admnistration (NASA)
 Gasdynamics and Laser Diagnostics Research
Laboratory, University of Illinois Urbana-Champaign
 Elliot Gregory S., Beutner Thomas J., Molecular filter
Based Planar Doppler Velocimetry, Progress in Aerospace
sciences 35 (1999)