doppler global velocimetry
Propaganda
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 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV 3-D Unsteady DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV 3-D Sistemas DGV DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Aplicações Projecto Turbinas de Gás Combustão DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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)
