MÉTODOS EXPERIMENTAIS EM ENERGIA E AMBIENTE

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

2. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Objectivos • 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Introdução 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Introdução 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Introdução Descrição Geral

6. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Introdução 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Introdução 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 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.

8. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria 6ªordem 3ª ordem Efeito Doppler 2 reflecção np > nm nm 1 Feixe incidente np 1ª ordem refracção -2 -1 1 2 4ª ordem 8ª ordem -1 7ª ordem 5ª ordem 2ª ordem refracção -2 Scattering

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

10. 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 Lei de Beer Coeficiente Absorção Espectral Linha de Absorção do Iodo a aproximadamente 18789.28 cm-1 Espectro de absorção do Iodo na gama de frequências de um Laser Nd:Yag

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

13. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Teoria  Compatibilidade Laser \ Gás.  Peso Molecular e Temperatura. Iodo:  M = 254.  Pressão de vapor elevada a baixas temperaturas. Critérios de Escolha do gás  Isolamento Linhas de Absorção.  Gama de variação das Linhas de Absorção.  Comprimento de onda das Linhas de Absorção.

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

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

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

17. 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 KHza 1% – 0.8 μm , ρ = 1. • Eficiência da dispersão luminosa. • Intensidade luminosa. •  0.5 μm – 10 a 20 mJ.

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

19. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Componentes: Laser e Sistema Óptico Laser 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). • ScanningMirror.

20. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Componentes 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Componentes

22. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Componentes: Células de Iodo 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Componentes: Receptores • 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Componentes: Receptores Câmaras CCD • Pequena Distorção Geométrica • Estabilidade Térmica

25. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Processamento de Dados • 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Processamento de Dados

27. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Metodologia

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

29. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV 3-D Unsteady

30. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV 3-D

31. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Sistemas DGV Análise de Incerteza • 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Aplicações • Projecto Turbinas de Gás • Estudos Aerodinâmicos em Automóveis • Desenho de Aviões • Experiências em Túneis de Vento • Estudos de Turbulência • Combustão

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

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

35. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Futuro • 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. DOPPLER GLOBAL VELOCIMETRY Referências • 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)