Métodos Instrumentais: Técnicas de medição de velocidade e caracterização de partículas,...

Métodos Instrumentais: Técnicas de medição de velocidade e caracterização de partículas, gotas e bolhas.

L.D.V.(Laser Doppler Velocimetry) P.D.A.(Phase Doppler Anemometry)

Princípios e Aplicações

•João Cunha

•Luís Silva9 de Novembro de 2000


Características da LDV

• Medição de Velocidades em escoamentos de gases ou líquidos.

• Possibilidade de medição das 3 componentes da velocidade.

• Medições não intrusivas.

• Precisão.

• Resolução espacial elevada.

• Necessita de partículas (seeding).


Aplicações

• Escoamentos laminares ou turbulentos, supersónicos ou não, confinados ou não.

• Ambientes hostis: Chamas, Plasma.

• Extensão para PDA permitindo medições de escoamentos a duas fases (Partículas, gotas ou bolhas).


Principio de Funcionamento

• Volume de medição formado pela intersecção de 2 feixes de laser formando padrão de interferência.

• Partícula ao atravessar o volume dispersa a luz com intensidade variável.

• Fotodetector recebe a radiação dispersada com carácter pulsatório.

Fotodetector


Escoamento com partículas

d

Velocidade = distancia/tempo

t (medido)

Sinal

Tempo

LaserCélula de

Bragg radiação dispersadaVolume de medição

Detector

Processador


Componentes

Laser

Processamento de sinal

Transmissão Detecção

Condicionador de sinal

Flow

GásSolid State

BeamsplitterFrequency ShiftLentes transparentes

GásLiquido +Partículas

Lentes Filtro EspacialFoto multiplicadorPhotodiode

Analisador EspectralCorrelacionadorContador

AmplificadorFiltro

PC


Laser, Características

• Monocromático

• Coerente

• Colimado

• Gás (custos)

• Díodo (< custos, compacto, < potência)

• Intensidade segue distribuição Gaussiana

Laser

Diodo colimador

Laser


Aparelhos Ópticos

Módulos:

• Divisor do feixe

• Lentes monocromáticas

• Variador de frequência (Célula de Bragg)

– Direcção do escoamento.

• Convergência dos feixes

– Redução do volume de medição

– Aumento da densidade de potência

Laser

Cel. Bragg

DF

F

D E

D

DL

Lente


Volume de Medição

• O sistema de transmissão gera o volume de medição

• Volume tem distribuição Gaussiana de intensidade nos 3 eixos

• Elipsoide de dimensões conhecidas

F

DL

Y

Z

X

Sistema de Transmissão

Volume deMedição

Distribuição de Intensidade

0 1/e 2

1

z

x

y X

Z

Y


Configurações

Forward scattere side scatter

• Difícil de alinhar

•Sensível a vibrações

Backscatter

• Fácil de alinhar

• Compacto

Recepção e detecçãoTransmissão

Escoamento Recepção e detecção

EscoamentoLaser

BraggCell

Detecção Transmissão e recepção


• Partículas movendo-se em direcções opostas produzem o mesmo sinal.

Qual a direcção?

• Com variação de frequências as franjas movem-se com velocidade igual à frequência de variação. Célula de Bragg.


Sistema LDV


Medição do escoamento em torno do rotor de helicóptero


Escoamento no interior de uma bomba


Técnicas de medição conjuntas

• Problema do transporte de escalares pelo campo turbulento (energia, espécies químicas).

• Medições conjuntas LDV + Mie Scattering, LDV + termopares finos.

• Aplicação em chamas de difusão e pré-mistura.

• Medições de velocidade média e flutuações (LDV) correlacionadas com os escalares.


Phase Doppler Anemometry


Características de PDA

• Extensão do principio LDV.

• Medição simultânea de velocidade do fluido e das partículas incluindo: diâmetro, concentração, e fluxo.

• Não intrusivo.

• Preciso.

• Resolução espacial elevada.


Condições de aplicação para PDA

• Acesso à região de medição de pelo menos duas direcções.

• Partículas esféricas (gotas, bolhas, sólidas)

• Índice de refracção da partícula e do meio conhecido

• Diâmetro da partícula entre 0.5 µm e milímetros


Principio de PDA

• Partícula dispersa luz de dois feixes incidentes

• Dois detectores recebem o sinal com fases diferentes

• A diferença de fases é proporcional ao diâmetro da partícula

Fei

xes

inci

den

tes

Detector 1Detector 2


Modos de Dispersão

-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

A intensidade dos feixes é parcialmente reflectida e refractada.

Os três primeiros modos de dispersão contêm a maior parte da radiação.


Relação fase diâmetro

• Existe uma relação linear se o detector estiver posicionado de modo a que um dos modos de dispersão seja dominante.

• Detecção de modos de intensidade comparável introduz não linearidades.


Deficiência de um sistema de dois detectores.

• A diferença de fase é proporcional ao diâmetro da partícula.

• Fase + 2Fase.

• Uma partícula que provoque um salto de 2na diferença de fase interpretada como uma partícula mais pequena.


Arranjo de 3 detectores

• Ultrapassa a ambiguidade referida

• Aumenta a gama de diâmetros detectáveis mantendo alta resolução

dmax

1-2

1-3

360°

0d

dmeas.

1-2 1-3

Detector 1

Detector 3

Detector 2


Fontes de Erro Adicionais

• Oscilações na curva fase diâmetro

• Mudanças na fase densa

– deformação (gotas e bolhas)

– mudança no modo principal de radiação

• Distribuição Gaussiana no volume de medição

• Efeito de fenda


Efeito de trajectória

• Dependendo da trajectória reflexão ou refracção podem ser os modos dominantes .

• O efeito é notório em bolhas e gotas grandes

Y Y

ZFenda projectada Volume de medição


Efeito de fenda

• Semelhante efeito ocorre em partículas próximas da extremidade da fenda projectada.

Y

Z

Fenda projectada Volume de medição


DualPDA

• Os erros referidos são eliminados com adição de dois detectores.

• O quarto detector permite permite a detecção e rejeição de sinais provenientes de partículas não esféricas. (Padrão de franjas não paralelo)

X

Y

Z

U1

U2

V1

V2

Plano dedispersão


Distribuição de diâmetros. Fluxo.Concentração.

• Contador de partículas: num determinado volume produz produz o fluxo local para cada classe de diâmetro para um tempo de amostragem Ts.

• Conhecendo o tempo de residência das partículas no volume de medição detectado pelo contador e o volume deste durante Ts...

• ...calcula-se a concentração de partículas.

)(

1)()(

iS

ini dVTdC


Medição de escoamentos com cavitação


Injector de combustível


Referências

• M.V. Heitor, S.H. Starner, A. M. K. P. Taylor and J. H. Whitelaw: “Velocity, Size and Turbulent Flux Measurements by Laser Doppler Velocimetry”.

• Sites:

–www.dantec.com

–www.tsi.com

–www.quantel.fr

–www.oxfordlasers.com

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