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MÉTODOS EXPERIMENTAIS EM ENERGIA E
AMBIENTE
Jorge Azevedo
Lisboa, 13 de Outubro de 2004
DGV
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
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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
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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
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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.
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Descrição Geral
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYIntrodução
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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
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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
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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
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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
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Filtros Absorção Molecular
Célula Óptica com Gás.
Espectro de Absorção na gama de frequências de um Laser Ar+ ou Nd:Yag.
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria
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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
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Declive da Linha de Absorção
Natural Broadening.
Temperature (Doppler) Broadening.
Pressure (Collisional) Broadening.
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria
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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
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Aplicações Filtros Moleculares
a) Visualização de Escoamentos
Esquema FRS típico
b) Medição de Velocidades
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria
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c) Propriedades Termodinâmicas
Aplicações Filtros Moleculares
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria
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Aplicações Filtros Moleculares
Transmission Ratio (TR) = I / I0.
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYTeoria
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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.
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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.
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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.
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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.
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Componentes
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV
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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
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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
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Componentes: Receptores
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV
Câmaras CCD
Pequena Distorção Geométrica
Estabilidade Térmica
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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
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Processamento de Dados
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV
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Metodologia
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV
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3-D
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV
Time-Averaged
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Unsteady
3-D
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV
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3-D
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYSistemas DGV
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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
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Projecto Turbinas de Gás
Estudos Aerodinâmicos em Automóveis
Desenho de Aviões
Experiências em Túneis de Vento
Estudos de Turbulência
Combustão
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYAplicações
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Projecto Turbinas de Gás
Desenho de Aviões
Experiências em Túneis de Vento
Combustão
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYAplicações
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DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRYAplicações
Projecto Turbinas de Gás
Combustão
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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
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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