La velocimetría Doppler plana (PDV), también conocida como velocimetría global Doppler (DGV), determina la velocidad del flujo a través de un plano midiendo el desplazamiento Doppler en la frecuencia de la luz dispersada por las partículas contenidas en el flujo. El desplazamiento Doppler, Δf d , está relacionado con la velocidad del fluido. El desplazamiento de frecuencia relativamente pequeño (orden de 1 GHz) se discrimina utilizando un filtro de vapor atómico o molecular. Este enfoque es conceptualmente similar a lo que ahora se conoce como dispersión de Rayleigh filtrada (Miles y Lempert, 1990).
Equipo
Hasta ahora, un instrumento típico de PDV de un componente utiliza un láser Nd: YAG de inyección pulsada , una o dos cámaras CCD de grado científico y un filtro de yodo molecular. El láser se utiliza para iluminar un plano del flujo con luz de ancho de línea espectral estrecho . La luz dispersa desplazada por Doppler se divide en dos trayectorias utilizando un divisor de haz y se proyecta en la (s) cámara (s). De esta manera, la absorción absoluta de la luz dispersa, a medida que pasa a través de una celda de yodo colocada en una de las trayectorias del haz, se mide en cada ubicación espacial dentro del plano del objeto. Para la dispersión de partículas relativamente grandes (es decir, dispersión de Mie ), esta absorción es una función de la velocidad de las partículas únicamente. Se han desarrollado algoritmos precisos de calibración y mapeo de imágenes con el resultado de que son posibles precisiones de velocidad de ~ 1–2 m / s. Se pueden encontrar más detalles sobre la historia de PDV, el arte de su aplicación y los avances recientes en artículos de revisión exhaustivos de Elliott y Beutner (1999) y Samimy y Wernet (2000).
Fortalezas
PDV es muy adecuado para mediciones de flujo de alta velocidad donde las preocupaciones sobre la siembra de partículas hacen que PIV no sea práctico. Aunque el PDV requiere partículas para dispersar la luz, no es necesario tomar imágenes de las partículas individuales, lo que permite el uso de partículas de semillas mucho más pequeñas y hace que las mediciones sean menos sensibles a la densidad de las semillas. Por ejemplo, en algunas instalaciones de flujo supersónico sin calefacción es posible utilizar la condensación de un vapor, como agua, acetona o etanol, para producir partículas de semillas en el flujo. Se ha estimado que las partículas formadas usando este método, conocido como formación de producto, tienen ~ 50 micrómetros de diámetro.
A diferencia de PIV, PDV requiere solo una imagen única del campo de flujo. Esta imagen se puede tomar durante un período prolongado (en relación con las escalas de tiempo de las características dentro del flujo) para producir imágenes promediadas en el tiempo o, alternativamente, utilizando un solo pulso de láser (aproximadamente 10 ns) para obtener una medición de las velocidades instantáneas del flujo. La duración de un solo pulso de láser es al menos un orden de magnitud más corta que las separaciones de pulsos utilizadas dentro de PIV. Esta característica de PDV permite una resolución mejorada de discontinuidades bruscas de velocidad, como ondas de choque .
Además, PDV tiene una resolución intrínsecamente más alta que PIV (donde se usan pequeñas subregiones de imagen para determinar la velocidad típicamente 16 x 16 píxeles) y se puede obtener una medición de velocidad para cada píxel dentro de la imagen de flujo. Sin embargo, particularmente en el caso de la medición instantánea usando PDV, se usa cierta agrupación de píxeles para atenuar los efectos nocivos del moteado láser y mejorar la relación señal / ruido .
Debilidades
La principal debilidad de PDV es la compleja configuración óptica necesaria para obtener mediciones precisas. Para cada componente de velocidad, se requieren dos imágenes (señal y referencia), lo que generalmente requiere dos cámaras. Para obtener los tres componentes de la velocidad, por lo tanto, se requiere el uso simultáneo de hasta seis cámaras, aunque el trabajo reciente de Charrett et al. (2006) y Hawkes et al. (2004) ha permitido progresivamente el número de cámaras necesarias de seis a una sola cámara. Además, el láser utilizado para las mediciones debe tener un ancho de línea estrecho, que normalmente se realiza mediante siembra por inyección de la cavidad del láser . Incluso con la siembra, la frecuencia del láser puede fluctuar con el tiempo y debe controlarse. Estos introducen una complejidad adicional a la configuración experimental. Los sistemas PDV, aunque se usan en muchos laboratorios, aún no están disponibles comercialmente y pueden ser bastante costosos (equipo, procesamiento de datos , experiencia, mano de obra, etc.) si se construyen desde cero.
Referencias
- Elliott, GS y Beutner, TJ, “Velocimetría Doppler plana basada en filtros moleculares”, Progreso en Ciencias Aeroespaciales, vol. 35, 799, 1999.
- McKenzie, RL, "Capacidades de medición de la velocimetría Doppler plana usando láseres pulsados ", Applied Optics, vol. 35, 948, 1996.
- Samimy, M. y Wernet, MP, "Revisión de la velocimetría plana de componentes múltiples en flujos de alta velocidad", AIAA Journal, vol. 38, 553, 2000.
- Thurow, B., Jiang, N., Lempert, W. y Samimy, M., “Velocimetría Doppler planar de velocidad de MHz en chorros supersónicos”, AIAA Journal, vol. 43, 500, 2005.
- Hawkes, GS, Thorpe, SJ y Ainsworth, RW, "Desarrollo de un sistema de velocimetría global Doppler de tres componentes", en Actas del 17 ° Simposio de técnicas de medición en flujo transónico y supersónico en cascadas y turbomáquinas, Estocolmo, Suecia (2004) .
- Charrett, TOH, Ford, HD y Tatam, RP, “Mediciones de velocidad Doppler planar 3D de una sola cámara utilizando paquetes de fibra de imagen”, Journal of Physics, Conference Series, vol. 45 (2006) 193-200.
- Eddie Irani y L. Scott Miller, "Evaluación de un sistema básico de velocimetría global Doppler", SAE-951427, 1995
enlaces externos
- Velocimetría Doppler plana por el Grupo de Fotónica de Ingeniería de la Universidad de Cranfield
- http://www.ae.uiuc.edu/~elliottg/frs/frs.htm
- http://www.metrolaserinc.com/pdvtempl2.htm
- http://www.holomap.com/dgv.htm
- http://www.psp-tsp.com/pdv/what-is-pdv.html
- http://www.dlr.de/at/en/desktopdefault.aspx/tabid-1657/2281_read-3723/