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

2 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

3 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 VELOCIMETRY Introdução Motivação

4 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 VELOCIMETRY Introdução Motivação Científica Investigação de escoamentos transientes. Multi – Propriedades.

5 Descrição Geral DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Introdução

6 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 VELOCIMETRY Introdução

7 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. Vantagens em Relação a Outros Métodos (LDA, PIV) DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Introdução

8 Efeito Doppler Scattering DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria

9 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 VELOCIMETRY Teoria

10 Filtros Absorção Molecular Célula Óptica com Gás. Espectro de Absorção na gama de frequências de um Laser Ar + ou Nd:Yag. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria

11 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 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria

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

13 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 VELOCIMETRY Teoria

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

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

16 Aplicações Filtros Moleculares Transmission Ratio (TR) = I / I 0. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria

17 Seeding DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas 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.

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 Laser 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.

20 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 Características 340 < T < 380 K 310 < T 12 < 325 K Precisão ± 0.5 K d = 7.5 cm 10 < L < 20 cm Componentes: Células de Iodo DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Starved Cell Design

23 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 VELOCIMETRY Sistemas DGV

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

25 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 VELOCIMETRY Sistemas DGV

26 Processamento de Dados DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV

27 Metodologia DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV

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

29 Unsteady 3-D DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV

30 3-D DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV

31 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) Actualmente Erros na ordem de 0.5 ms -1. Análise de Incerteza DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV

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

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

34 DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Aplicações Projecto Turbinas de Gás Combustão

35 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 VELOCIMETRY Futuro

36 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 VELOCIMETRY Referências


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