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Métodos Experimentais em Energia e Ambiente •Diagnóstico de Sprays por Difracção Laser. Mestrando: •Luis Ferreira Duarte •IST, 24 de Novembro de 2003.

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1 Métodos Experimentais em Energia e Ambiente •Diagnóstico de Sprays por Difracção Laser. Mestrando: •Luis Ferreira Duarte •IST, 24 de Novembro de 2003

2 Técnicas Fotográficas em processo de escoamento a duas fases •Este slide mostra um dispositivo para fotografar spays onde se destaca a fonte de luz, os condensadores (lentes 1 e 2 ), o atomizador e a câmara fotográfica (polaroid). •Uma grande desvantagem deste método é o erro na contagem, erros no intervalo •–17% a 13% já foram contabilizados por Watson e Mulford em •Foram introduzidos sistemas automáticos e semi-automáticos ligados a microprocessadores para eliminar estes erros de contagem e conseguiu-se em larga medida. •Por estas técnicas consegue-se medir aproximadamente até 5 microns.

3 Técnicas Holográficas de processamento de imagem •O Holograma é o resultado da interferência de uma luz lazer coerente e monocromática a partir do campo das partículas. O tempo de iluminação da partícula depende da velocidade e do diâmetro da partícula desde que a partícula não se desloque de uma dimensão superior a um décimo do seu diâmetro durante a exposição. Diferente da fotografia por registar imagens a três dimensões •Este slide mostra o sistema em linha de gravação da imagem através de uma luz lazer pulsada e de um lazer de onda contínua

4 Dispositivo do Laser Doppler Anemometria (LDA) •Nos sistema LDA da qual a interferometria é uma extensão, o tamanho e a velocidade das partículas pode ser registado. Dois raios de luz não paralelos são obrigados a convergir no volume de medida, caso de um spay. Na intercepção dos dois raios forma-se uma franja e uma partícula passando por esta franja dispersa a luz e usa a visibilidade do sinal que se define como: • •A frequência do sinal de Doppler depende do espaço entre as franjas e da velocidade das partículas. A visibilidade V como função do diâmetro das partículas d e do espaço entre as franjas  demonstrou-se ser: • •onde J1 é a função de Bessel de primeira ordem e “lambda” é o comprimento de onda da luz. •O volume medido é cerca de 1 mm3.

5 Típica explosão de Doppler •Este slide mostra-nos o comportamento do sinal de Doppler e a distribuição Gaussiana da intensidade de luz (energia). •Pode-se ver como se determina a intensidade máxima e mínima no cálculo da visibilidade.

6 Distribuição Gaussiana da energia no cruzamento de dois raios. •Mostra-nos que é crítica na distribuição Gaussiana da energia quando a partícula passa no centro do volume de teste. •Uma partícula larga passando pelo bordo da franja pode ter o mesmo sinal Doppler de que uma pequena partícula passando pelo centro, este problema existe e não depende da concentração do campo das partículas. Este problema foi resolvido através da utilização de um LDA a duas cores (verde e azul ). Se o sinal é recebido pelo volume de validação azul então assume-se que passa pelo centro do volume de medida verde

7 Teoria da difracção e dimensionamento de partículas. Teoria de Fraunhofer. Pela avaliação do integral da difracção de Fraunhofer, a intensidade da luz difractada pode ser analisada, para uma partícula de raio a, através da relação: onde I(0) é a intensidade ao centro da difracção, J1 é a função de Bessel de primeira ordem e X é um parâmetro de dimensão dado por: onde f é o comprimento focal da colecção de lentes, S é a distância radial na direcção do plano focal. A figura mostra-nos a intensidade relativa em função do parâmetro de dimensão X, onde se vê um conjunto de máximos e mínimos que estão relacionados a picos e a intensidades zero, fisicamente aparecem uma série de anéis concêntricos claros e escuros.

8 Distribuição da Energia na difracção Lazer Como se torna difícil medir e relacionar a intensidade da luz ao tamanho das partículas, relaciona-se a energia da luz com o raio dos anéis do fotodectetor da seguinte forma: • •onde o valor de X1 e X2 é já conhecido. E é a energia incidente na partícula que é proporcional a área transversal da partícula de raio a e a intensidade do raio incidente Io. Para N partículas do mesmo tamanho, o total da energia incidente nas partículas pode ser escrito: • •e o número de partículas N está relacionada ao peso da partícula W da seguinte forma: • •Na figura os pontos de inflecção da curva de energia total correspondem aos máximos e mínimos na curva da distribuição da energia, representando as bandas claras e escuras.

9 Esquema óptico para uma técnica de difracção Lazer •A técnica colecta a luz difractada por um campo de partículas usando um esquema de anéis fotodectectores concêntricos. Cada anel corresponde a uma banda de dimensões definidas, dependendo da distância focal e da colecção de lentes empregues. Usando diferentes comprimentos focais, gotas ou partículas entre 0,2 e 2000 microns podem ser medidas. •Este dispositivo existe no Laboratório de Combustão no departamento de mecânica e resultado será apresentado no final da exposição em relação à casca de arroz.

10 Difracção Anómala Na Difracção Lazer o índice de refracção é muito maior que a unidade em virtude das partículas serem opacas, mas em muitas aplicações as partículas são pequenas e opticamente transparentes e o índice de refracção é menor que a unidade e o modelo da difracção é o resultado da interferência entre a luz difractada e a luz transmitida o que origina o efeito e a discrepância no gráfico apresentado, sendo que a energia é muito maior na difracção anómala para uma certa gama de anéis como resultado da soma da energia transmitida.

11 Difracção anómala, caso do tamanho das partículas. Pode-se ver a correlação entre o tamanho das partículas e o seu peso no caso da difracção de Fraunhofer e na difracção anómala. A diferença é maior para pequenas partículas aproximando-se as correlações quando elas são maiores.

12 Diferença nos picos entre o modelo da difracção e a difracção anómala •Intensidade e distribuição da energia no caso da difracção anómala em função de  =3. Sendo: •  =4  a/  |m-1| •Em que a é o raio da partícula, m é o índice de refracção e  é o comprimento de onda da luz.

13 Discrepância nos picos em comparação com o modelo da difracção •Vê-se claramente a oscilação do pico máximo nos dois modelos, sendo que no modelo da difracção ele é constante. A phase lag  é uma função do índice de refracção e do comprimento de onda da luz. A partir de phase lag maior do que 30 pode-se aplicar o modelo de difracção de Fraunhofer.

14 Comparação entre os pesos na difracção anómala e modelo de Fraunhofer •Como se pode ver o slide apresenta o peso da partícula em função do seu tamanho no caso da difracção anómala e no modelo da difracção de Fraunhofer. •Praticamente apresentam a mesma distribuição para a mesma energia da luz distribuída. Como se vê aumenta o diâmetro da gota o seu peso aumenta, ou seja,há uma correlação positiva e crescente entre o peso e o diâmetro das gotas.

15 Energia em função da obscuridade •Este gráfico resulta dos estudos com base no National Bureau of Standards em que se utilizam esferas de vidro para estudar a obscuridade. Mostra-nos a distribuição da energia da luz produzida por uma dada partícula a diferentes concentrações, expressas como percentagem de obscuridade. •Quando a luz incidente é dispersa, no caso, o ângulo da dispersão aumenta e a resultante distribuição da energia da luz aparece como se fosse originada por partículas pequenas. •Quanto mais aumenta a obscuridade, os secundários máximos e mínimos desaparecem, devido à múltipla dispersão da luz.

16 Rácios na curva da Energia •Mostra como se determina o rácio entre os mínimos e máximos da curva da energia e aqui verficamos que quanto maior for o diâmetro da partícula menos energia dispersa e vice versa. •O ângulo de difracção é tanto maior quanto menor for a partícula e necessariamente a sua energia.

17 Anéis do fotodector. Instrumento de Malvern. •Apresenta-se as dimensões dos anéis do fotodetector no medidor de Malvern que existe no laboratório de engenharia mecânica. Como se vê o fotodector tem 31 anéis definidos por um raio interior e exterior concêntricos. •São estes anéis que recebem a luz difractada depois de convergir nas lentes de Fourier e permitem medir o tamanho das gotas.

18 Exemplo de um Instrumento Malvern

19 Resultados obtidos na medição. •Vê-se o diâmetro das partículas em função da percentagem abaixo de uma determinada dimensão. •Vê-se claramente que predominam as partículas maiores na medição efectuada na casca de arroz.

20 Bibliografia utilizada •Combustion Measurements. Spray Diagnostics by Lazer Difraction. •J.Swithenbank, J. Cao, and A. A. Hamidi •www.malvern.co.uk


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