MÉTODOS EXPERIMENTAIS EM ENERGIA E

AMBIENTE

Jorge Azevedo

Lisboa, 13 de Outubro de 2004

DGV

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY

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

Objectivos

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.

Definição

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYIntrodução

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.

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.

Definição

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYIntrodução

Motivação

Científica

Investigação de escoamentos transientes.

Multi – Propriedades.

Descrição Geral

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYIntrodução

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.

Características

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYIntrodução

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.

Vantagens em Relação a Outros Métodos (LDA, PIV)

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYIntrodução

Efeito Doppler

Scattering

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria

-2

1ª ordem refracção

-1

1

2

-2 -1 1 2

Feixe incidente

reflecção

2ª ordemrefracção

3ª ordem

4ª ordem

5ª ordem

6ªordem

7ª ordem

8ª ordem

np

nm

np > nm

Efeito Doppler

Scattering

a) b)

Diâmetro (d) da molécula ou partícula

d > 1/10 λ Mie Scattering

d < 1/10 λ Rayleigh Scattering

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria

Filtros Absorção Molecular

Célula Óptica com Gás.

Espectro de Absorção na gama de frequências de um Laser Ar+ ou Nd:Yag.

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria

Espectro de absorção do Iodo na gama de frequências de um

Laser Nd:Yag

Coeficiente Absorção Espectral

Lei de Beer

Linha de Absorção do Iodo a aproximadamente 18789.28 cm-1

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria

Declive da Linha de Absorção

Natural Broadening.

Temperature (Doppler) Broadening.

Pressure (Collisional) Broadening.

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria

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 VELOCIMETRYTeoria

Aplicações Filtros Moleculares

a) Visualização de Escoamentos

Esquema FRS típico

b) Medição de Velocidades

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria

c) Propriedades Termodinâmicas

Aplicações Filtros Moleculares

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria

Aplicações Filtros Moleculares

Transmission Ratio (TR) = I / I0.

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria

Seeding

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

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.

Componentes: Laser e Sistema Óptico

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

Frequency overlap com o filtro de Iodo. Narrow Linewidth. Frequency Tunability. Integração com os outros componentes. Resolução Temporal.

Laser

Componentes: Laser e Sistema Óptico

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

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.

Componentes

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

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.

Componentes

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

Características

340 < T < 380 K

310 < T12 < 325 K

Precisão ± 0.5 K

d = 7.5 cm

10 < L < 20 cm

Componentes: Células de Iodo

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

Starved Cell Design

Fotomultiplicadores: Malha de elementos fotosensíveis que acumulam cargas eléctricas geradas pela incidência dos fotões.

Fotodiodos: mais resistentes, inversão da sentido da corrente devido à luz incidente

Requisitos Alta Sensibilidade Bom signal-to-noise ratio Períodos de Integração Longo

(para valores médios) Capacidade de Discretização

Elevada (tipicamente 12 bits)

Componentes: Receptores

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

Componentes: Receptores

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

Câmaras CCD

Pequena Distorção Geométrica

Estabilidade Térmica

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.

Processamento de Dados

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

Processamento de Dados

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

Metodologia

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

3-D

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

Time-Averaged

Unsteady

3-D

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

3-D

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

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.

Análise de Incerteza

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV

Projecto Turbinas de Gás

Estudos Aerodinâmicos em Automóveis

Desenho de Aviões

Experiências em Túneis de Vento

Estudos de Turbulência

Combustão

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYAplicações

Projecto Turbinas de Gás

Desenho de Aviões

Experiências em Túneis de Vento

Combustão

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYAplicações

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYAplicações

Projecto Turbinas de Gás

Combustão

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 VELOCIMETRYFuturo

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)

DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYReferências