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

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1 L.D.V.(Laser Doppler Velocimetry) P.D.A.(Phase Doppler Anemometry)
Princípios e Aplicações João Cunha Luís Silva 9 de Novembro de 2000

2 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).

3 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).

4 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

5 Velocidade = distancia/tempo
Escoamento com partículas t (medido) Sinal Tempo Processador d Detector Volume de medição Célula de Bragg Laser radiação dispersada

6 Condicionador de sinal
Componentes Flow Laser Transmissão Detecção Gás Solid State Beamsplitter Frequency Shift Lentes transparentes Gás Liquido + Partículas Lentes Filtro Espacial Foto multiplicador Photodiode PC Processamento de sinal Condicionador de sinal Analisador Espectral Correlacionador Contador Amplificador Filtro

7 Laser, Características
Monocromático Coerente Colimado Gás (custos) Díodo (< custos, compacto, < potência) Intensidade segue distribuição Gaussiana Laser Diodo colimador Laser

8 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 DF Laser Lente Cel. Bragg D ´ E ´ E D J DL F

9 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 q Z DL F Y X Distribuição de Intensidade 1 1/e 2 dz dx Z Volume de Medição dy X Y

10 Configurações Forward scatter e side scatter Difícil de alinhar
Sensível a vibrações Backscatter Fácil de alinhar Compacto Transmissão Recepção e detecção Escoamento Recepção e detecção Detecção Transmissão e recepção Bragg Cell Laser Escoamento

11 Qual a direcção? Partículas movendo-se em direcções opostas produzem o mesmo sinal. Com variação de frequências as franjas movem-se com velocidade igual à frequência de variação. Célula de Bragg.

12 Sistema LDV Various optical elements are used in laser anemometry. The LDA system illustrated above includes many of the optical elements used in a “typical “ LDA system. The optical elements used in laser anemometry are listed on the tables shown on the following two pages. The principle used by each of the optical elements is also listed along with a description of the element’s function in laser Doppler anemometry.

13 Medição do escoamento em torno do rotor de helicóptero

14 Escoamento no interior de uma bomba

15 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.

16 Phase Doppler Anemometry

17 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.

18 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

19 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 Feixes incidentes Detector 1 Detector 2

20 Modos de Dispersão A intensidade dos feixes é parcialmente reflectida e refractada. Os três primeiros modos de dispersão contêm a maior parte da radiação. -2 1ª ordem refracção -1 1 2 Feixe incidente reflecção 2ª ordem 3ª ordem 4ª ordem 5ª ordem 6ªordem 7ª ordem 8ª ordem np nm np > nm

21 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.

22 Deficiência de um sistema de dois detectores.
A diferença de fase é proporcional ao diâmetro da partícula. Fase + 2p = Fase. Uma partícula que provoque um salto de 2p na diferença de fase interpretada como uma partícula mais pequena.

23 Arranjo de 3 detectores Ultrapassa a ambiguidade referida
Aumenta a gama de diâmetros detectáveis mantendo alta resolução dmax F F1-2 F1-3 360° d dmeas. y j Detector 1 Detector 3 Detector 2

24 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

25 Efeito de trajectória Z Y Y
Dependendo da trajectória reflexão ou refracção podem ser os modos dominantes . O efeito é notório em bolhas e gotas grandes Fenda projectada Volume de medição Z Y Y

26 Efeito de fenda Semelhante efeito ocorre em partículas próximas da extremidade da fenda projectada. Y Z Fenda projectada Volume de medição

27 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 j U1 U2 V1 V2 Plano de dispersão

28 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.

29 Medição de escoamentos com cavitação

30 Injector de combustível

31 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: