MÉTODOS EXPERIMENTAIS EM ENERGIA E AMBIENTE

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1 MÉTODOS EXPERIMENTAIS EM ENERGIA E AMBIENTE
DGV DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Jorge Azevedo Lisboa, 13 de Outubro de 2004

2 Objectivos DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Introdução: Definição e Motivação, Descrição Geral, Características, Comparação com Outros Métodos Fundamentos Teóricos Sistemas DGV: Metodologia, Componentes, 3D, Análise de Incerteza Aplicações Futuro Referências

3 Introdução Definição Motivação
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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

4 Introdução Definição Motivação
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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.

5 Introdução DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Descrição Geral

6 Características Introdução Técnica óptica, não intrusiva.
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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.

7 Vantagens em Relação a Outros Métodos (LDA, PIV)
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 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.

8 Teoria Scattering Efeito Doppler reflecção Feixe incidente 1ª ordem
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria Scattering -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 Efeito Doppler

9 Diâmetro (d) da molécula ou partícula
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria Scattering Diâmetro (d) da molécula ou partícula d > 1/10 λ  Mie Scattering d < 1/10 λ  Rayleigh Scattering Efeito Doppler a) b)

10 Filtros Absorção Molecular
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.

11 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Teoria 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 cm-1

12 Declive da Linha de Absorção
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria Declive da Linha de Absorção  Natural Broadening. Temperature (Doppler) Broadening. Pressure (Collisional) Broadening.

13 Critérios de Escolha do gás
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. Iodo:  M = 254.  Pressão de vapor elevada a baixas temperaturas.  Comprimento de onda das Linhas de Absorção.

14 Teoria Aplicações Filtros Moleculares Visualização de Escoamentos
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria Aplicações Filtros Moleculares Visualização de Escoamentos Esquema FRS típico  Medição de Velocidades

15 Propriedades Termodinâmicas
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria Aplicações Filtros Moleculares Propriedades Termodinâmicas

16 Teoria Aplicações Filtros Moleculares
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria Aplicações Filtros Moleculares Transmission Ratio (TR) = I / I0.

17 Sistemas DGV Seeding  Transonic Flow – 0.5 μm, ρ = 1.
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.

18 Componentes: Laser e Sistema Óptico
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Frequency overlap com o filtro de Iodo. Narrow Linewidth. Frequency Tunability. Integração com os outros componentes. Resolução Temporal.

19 Sistemas DGV Componentes: Laser e Sistema Óptico
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Estacionário  Laser cw Ion-Argon λ = nm, Largura Banda 10 MHz. Económicos. Sincronização mais fácil. Potência baixa. Gama de variação de frequência limitada (70 a 140 MHZ). Scanning Mirror. Laser

20 Transiente  Laser Nd:Yag
Componentes DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas 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.

21 Componentes DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV

22 Componentes: Células de Iodo
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Starved Cell Design Características 340 < T < 380 K 310 < T12 < 325 K Precisão ± 0.5 K d = 7.5 cm 10 < L < 20 cm

23 Componentes: Receptores
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV 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)

24 Componentes: Receptores
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Câmaras CCD Pequena Distorção Geométrica Estabilidade Térmica

25 Processamento de Dados
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV 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.

26 Processamento de Dados
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV

27 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY
Sistemas DGV Metodologia

28 3-D DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Time-Averaged

29 3-D DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Unsteady

30 3-D DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV

31 Sistemas DGV Análise de Incerteza
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas 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.

32 Aplicações Projecto Turbinas de Gás
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Projecto Turbinas de Gás Estudos Aerodinâmicos em Automóveis Desenho de Aviões Experiências em Túneis de Vento Estudos de Turbulência Combustão

33 Aplicações Projecto Turbinas de Gás Desenho de Aviões
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Projecto Turbinas de Gás Desenho de Aviões Experiências em Túneis de Vento Combustão

34 Aplicações Projecto Turbinas de Gás Combustão
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Projecto Turbinas de Gás Combustão

35 Futuro Diminuição dos erros experimentais.
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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.

36 Referências www.iop.org/journals/mt www.holomap.com
DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY 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)