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Métodos Instrumentais: Técnicas de medição de velocidade e caracterização de partículas, gotas e bolhas.
L.D.V.(Laser Doppler Velocimetry) P.D.A.(Phase Doppler Anemometry)
Princípios e Aplicações
•João Cunha
•Luís Silva9 de Novembro de 2000
Métodos Instrumentais: Técnicas de medição de velocidade e caracterização de partículas, gotas e bolhas.
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).
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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).
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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
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Escoamento com partículas
d
Velocidade = distancia/tempo
t (medido)
Sinal
Tempo
LaserCélula de
Bragg radiação dispersadaVolume de medição
Detector
Processador
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Componentes
Laser
Processamento de sinal
Transmissão Detecção
Condicionador de sinal
Flow
GásSolid State
BeamsplitterFrequency ShiftLentes transparentes
GásLiquido +Partículas
Lentes Filtro EspacialFoto multiplicadorPhotodiode
Analisador EspectralCorrelacionadorContador
AmplificadorFiltro
PC
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Laser, Características
• Monocromático
• Coerente
• Colimado
• Gás (custos)
• Díodo (< custos, compacto, < potência)
• Intensidade segue distribuição Gaussiana
Laser
Diodo colimador
Laser
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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
Laser
Cel. Bragg
DF
F
D E
D
DL
Lente
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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
F
DL
Y
Z
X
Sistema de Transmissão
Volume deMedição
Distribuição de Intensidade
0 1/e 2
1
z
x
y X
Z
Y
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Configurações
Forward scattere side scatter
• Difícil de alinhar
•Sensível a vibrações
Backscatter
• Fácil de alinhar
• Compacto
Recepção e detecçãoTransmissão
Escoamento Recepção e detecção
EscoamentoLaser
BraggCell
Detecção Transmissão e recepção
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• Partículas movendo-se em direcções opostas produzem o mesmo sinal.
Qual a direcção?
• Com variação de frequências as franjas movem-se com velocidade igual à frequência de variação. Célula de Bragg.
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Sistema LDV
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Medição do escoamento em torno do rotor de helicóptero
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Escoamento no interior de uma bomba
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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.
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Phase Doppler Anemometry
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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.
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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
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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
Fei
xes
inci
den
tes
Detector 1Detector 2
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Modos de Dispersão
-2
1ª ordem refracção
-1
1
2
-2 -1 1 2
Feixe incidente
reflecção
2ª ordemrefracção
3ª ordem
4ª ordem
5ª ordem
6ªordem
7ª ordem
8ª ordem
np
nm
np > nm
A intensidade dos feixes é parcialmente reflectida e refractada.
Os três primeiros modos de dispersão contêm a maior parte da radiação.
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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.
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Deficiência de um sistema de dois detectores.
• A diferença de fase é proporcional ao diâmetro da partícula.
• Fase + 2Fase.
• Uma partícula que provoque um salto de 2na diferença de fase interpretada como uma partícula mais pequena.
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Arranjo de 3 detectores
• Ultrapassa a ambiguidade referida
• Aumenta a gama de diâmetros detectáveis mantendo alta resolução
dmax
1-2
1-3
360°
0d
dmeas.
1-2 1-3
Detector 1
Detector 3
Detector 2
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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
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Efeito de trajectória
• Dependendo da trajectória reflexão ou refracção podem ser os modos dominantes .
• O efeito é notório em bolhas e gotas grandes
Y Y
ZFenda projectada Volume de medição
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Efeito de fenda
• Semelhante efeito ocorre em partículas próximas da extremidade da fenda projectada.
Y
Z
Fenda projectada Volume de medição
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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
U1
U2
V1
V2
Plano dedispersão
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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.
)(
1)()(
iS
ini dVTdC
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Medição de escoamentos com cavitação
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Injector de combustível
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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:
–www.dantec.com
–www.tsi.com
–www.quantel.fr
–www.oxfordlasers.com