Planare Doppler-Velocimetrie - Planar Doppler velocimetry

Die planare Doppler-Velocimetrie (PDV), auch als Doppler Global Velocimetry (DGV) bezeichnet, bestimmt die Strömungsgeschwindigkeit über eine Ebene durch Messung der Doppler- Frequenzverschiebung des von den im Fluss enthaltenen Partikeln gestreuten Lichts. Die Doppler-Verschiebung Δf d hängt mit der Fluidgeschwindigkeit zusammen. Die relativ kleine Frequenzverschiebung (Ordnung 1 GHz) wird unter Verwendung eines Atom- oder Molekulardampffilters unterschieden. Dieser Ansatz ähnelt konzeptionell dem, was heute als gefilterte Rayleigh-Streuung bekannt ist (Miles und Lempert, 1990).

Ausrüstung

Bisher verwendet ein typisches Einkomponenten-PDV-Instrument einen gepulsten Nd: YAG- Laser mit Injektionssaat , eine oder zwei CCD-Kameras von wissenschaftlicher Qualität und einen molekularen Jodfilter. Der Laser wird verwendet, um eine Strömungsebene mit Licht mit schmaler spektraler Linienbreite zu beleuchten. Das Doppler-verschobene Streulicht wird dann unter Verwendung eines Strahlteilers in zwei Pfade aufgeteilt und auf die Kamera (n) abgebildet. Auf diese Weise wird die absolute Absorption von gestreutem Licht, wenn es durch eine Iodzelle läuft, die in einem der Strahlengänge angeordnet ist, an jedem räumlichen Ort innerhalb der Objektebene gemessen. Für die Streuung durch relativ große (dh Mie-Streuung ) Partikel ist diese Absorption allein eine Funktion der Partikelgeschwindigkeit . Genaue Kalibrierungs- und Bildabbildungsalgorithmen wurden entwickelt, mit dem Ergebnis, dass Geschwindigkeitsgenauigkeiten von ~ 1–2 m / s möglich sind. Weitere Einzelheiten zur Geschichte von PDV, seiner Anwendungskunst und den jüngsten Fortschritten finden sich in umfassenden Übersichtsartikeln von Elliott und Beutner (1999) sowie Samimy und Wernet (2000).

Stärken

PDV eignet sich gut für Hochgeschwindigkeits-Durchflussmessungen, bei denen Bedenken hinsichtlich der Partikelaussaat PIV unpraktisch machen. Obwohl PDV erfordert, dass Partikel Licht streuen, müssen einzelne Partikel nicht abgebildet werden, was die Verwendung von viel kleineren Keimpartikeln ermöglicht und die Messungen weniger empfindlich für die Keimdichte der Partikel macht. Beispielsweise ist es in einigen nicht beheizten Überschallströmungsanlagen möglich, die Kondensation eines Dampfes wie Wasser, Aceton oder Ethanol zu verwenden, um Keimpartikel in der Strömung zu erzeugen. Mit diesem Verfahren gebildete Partikel, die als Produktbildung bekannt sind, haben einen Durchmesser von ~ 50 Mikrometern.

Im Gegensatz zu PIV benötigt PDV nur ein einziges Bild des Strömungsfeldes. Dieses Bild kann über einen langen Zeitraum (relativ zu den charakteristischen Zeitskalen innerhalb des Flusses) aufgenommen werden, um zeitgemittelte Bilder zu erzeugen, oder alternativ unter Verwendung eines einzelnen Laserpulses (ungefähr 10 ns), um eine Messung der momentanen Strömungsgeschwindigkeiten zu erhalten. Die Dauer eines einzelnen Laserpulses ist mindestens eine Größenordnung kürzer als die in PIV verwendeten Impulstrennungen. Diese Funktion von PDV ermöglicht eine verbesserte Auflösung scharfer Geschwindigkeitsdiskontinuitäten wie Stoßwellen .

Zusätzlich hat PDV eine inhärent höhere Auflösung als PIV (wobei kleine Bildunterbereiche verwendet werden, um die Geschwindigkeit typischerweise 16 × 16 Pixel zu bestimmen) und eine Geschwindigkeitsmessung für jedes Pixel innerhalb des Flussbildes erhalten werden kann. Insbesondere im Fall einer sofortigen Messung unter Verwendung von PDV wird jedoch ein gewisses Pixel-Binning verwendet, um die schädlichen Auswirkungen von Laser-Speckle abzuschwächen und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern .

Schwächen

Die Hauptschwäche von PDV ist der komplexe optische Aufbau, der erforderlich ist, um genaue Messungen zu erhalten. Für jede Geschwindigkeitskomponente sind zwei Bilder (Signal und Referenz) erforderlich, was typischerweise zwei Kameras erfordert. Um alle drei Geschwindigkeitskomponenten zu erhalten, müssen daher bis zu sechs Kameras gleichzeitig verwendet werden, obwohl neuere Arbeiten von Charrett et al. (2006) und Hawkes et al. (2004) hat die Anzahl der erforderlichen Kameras schrittweise von sechs auf eine einzelne Kamera erhöht. Zusätzlich muss der für die Messungen verwendete Laser eine schmale Linienbreite haben, was typischerweise durch Injektionssaat des Laserresonators durchgeführt wird . Selbst beim Seeding kann die Laserfrequenz mit der Zeit schwanken und muss überwacht werden. Diese führen zu einer zusätzlichen Komplexität des Versuchsaufbaus. Obwohl PDV-Systeme in vielen Labors verwendet werden, sind sie noch nicht im Handel erhältlich und können recht teuer sein (Ausrüstung, Datenverarbeitung , Erfahrung, Arbeit usw.), wenn sie von Grund auf neu gebaut werden.

Verweise

  • Elliott, GS und Beutner, TJ, "Molecular Filter Based Planar Doppler Velocimetry", Progress in Aerospace Sciences, Vol. 3, No. 35, 799, 1999.
  • McKenzie, RL, "Messfähigkeiten der planaren Doppler-Velocimetrie unter Verwendung gepulster Laser ", Applied Optics, Vol. 3, No. 35, 948, 1996.
  • Samimy, M., und Wernet, MP, "Review of Planar Multikomponenten-Velocimetrie in Hochgeschwindigkeitsströmungen", AIAA Journal, Vol. 3, No. 38, 553, 2000.
  • Thurow, B., Jiang, N., Lempert, W. und Samimy, M., "MHz Rate Planar Doppler Velocimetry in Supersonic Jets", AIAA Journal, Vol. 3, No. 43, 500, 2005.
  • Hawkes, GS, Thorpe, SJ und Ainsworth, RW, "Entwicklung eines Dreikomponenten-Doppler-Global-Velocimetriesystems", in Proceedings des 17. Symposiums für Messtechniken in transsonischen und Überschallströmungen in Kaskaden und Turbomaschinen, Stockholm, Schweden (2004) .
  • Charrett, TOH, Ford, HD und Tatam, RP, "3D-Planar-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen mit einer Kamera unter Verwendung von Imaging-Faserbündeln", Journal of Physics, Conference Series, Vol. 3, No. 45 (2006) 193-200.
  • Eddie Irani und L. Scott Miller, "Evaluation eines Basic Doppler Global Velocimetry System", SAE-951427, 1995

Externe Links