Планарная допплеровская велосиметрия

Планарная доплеровская скорость (PDV), также называемая допплеровской глобальной скоростью (DGV), определяет скорость потока в плоскости путем измерения доплеровского сдвига частоты света, рассеянного частицами, содержащимися в потоке. Доплеровский сдвиг Δf _d связан со скоростью жидкости. Относительно небольшой сдвиг частоты (порядка 1 ГГц) распознается с помощью фильтра атомных или молекулярных паров. Этот подход концептуально похож на то, что сейчас известно как фильтрованное рэлеевское рассеяние (Miles and Lempert, 1990).

Оборудование

До сих пор типичный однокомпонентный прибор PDV использует импульсный Nd:YAG -лазер с инжекционной затравкой, одну или две ПЗС-камеры научного уровня и фильтр на основе молекулярного йода. Лазер используется для освещения плоскости потока светом с узкой спектральной шириной линии . Рассеянный свет с доплеровским смещением затем разделяется на два пути с помощью светоделителя и отображается на камере(ях). Таким образом, абсолютное поглощение рассеянного света при его прохождении через йодную ячейку, расположенную на одном из путей луча, измеряется в каждом пространственном положении внутри плоскости объекта. При рассеянии на относительно крупных частицах (т.е. рассеянии Ми ) это поглощение является функцией только скорости частицы . Были разработаны алгоритмы точной калибровки и отображения изображений, в результате чего возможна точность скорости ~ 1–2 м / с. Более подробную информацию об истории PDV, технике его применения и последних достижениях можно найти в обширных обзорных статьях Эллиотта и Бютнера (1999) и Самими и Вернета (2000).

Сильные стороны

PDV хорошо подходит для измерения высокоскоростного расхода, когда опасения по поводу высева частиц делают PIV непрактичным. Хотя PDV требует, чтобы частицы рассеивали свет, отдельные частицы не нужно отображать, что позволяет использовать гораздо более мелкие затравочные частицы и делает измерения менее чувствительными к плотности затравочных частиц. Например, в некоторых неотапливаемых установках со сверхзвуковым потоком можно использовать конденсацию паров, таких как вода, ацетон или этанол, для образования затравочных частиц в потоке. По оценкам, частицы, образовавшиеся с помощью этого метода, известного как образование продукта, имеют диаметр около 50 микрометров.

В отличие от PIV, PDV требует только одного изображения поля потока. Это изображение может быть получено в течение длительного периода (относительно временных масштабов характеристик потока) для получения усредненных по времени изображений или, альтернативно, с использованием одного лазерного импульса (приблизительно 10 нс) для измерения мгновенных скоростей потока. Длительность одиночного лазерного импульса как минимум на порядок короче, чем расстояние между импульсами, используемое в PIV. Эта особенность PDV позволяет улучшить разрешение резких скачков скорости, таких как ударные волны .

Кроме того, PDV по своей природе имеет более высокое разрешение, чем PIV (где для определения скорости используются небольшие участки изображения, обычно 16 x 16 пикселей), и измерение скорости может быть получено для каждого пикселя изображения потока. Однако, особенно в случае мгновенных измерений с использованием PDV, используется некоторое объединение пикселей для ослабления вредного воздействия лазерных спеклов и улучшения отношения сигнал/шум .

Слабые стороны

Основным недостатком PDV является сложная оптическая установка, необходимая для получения точных измерений. Для каждой компоненты скорости требуются два изображения (сигнальное и опорное), что обычно требует наличия двух камер. Таким образом, для получения всех трех компонентов скорости требуется одновременное использование до шести камер, хотя недавняя работа Charrett et al. (2006) и Хоукс и др. (2004) постепенно увеличили количество необходимых камер с шести до одной камеры. Кроме того, лазер, используемый для измерений, должен иметь узкую ширину линии, что обычно достигается путем инжекционной затравки в резонатор лазера . Даже при посеве частота лазера может меняться со временем, и ее необходимо контролировать. Это вносит дополнительную сложность в экспериментальную установку. Системы PDV, хотя и используются во многих лабораториях, еще не коммерчески доступны и могут быть довольно дорогими (оборудование, обработка данных , опыт, рабочая сила и т. д.), если создавать их с нуля.

Ссылки

Эллиотт Г.С. и Бетнер Т.Дж. «Планарная доплеровская велосиметрия на основе молекулярного фильтра», Progress in Aerospace Sciences, Vol. 35, 799, 1999.
Маккензи, Р.Л., «Возможности измерения планарной доплеровской скорости с использованием импульсных лазеров », Applied Optics, Vol. 35, 948, 1996.
Самими М. и Вернет, член парламента, «Обзор планарной многокомпонентной измерения скорости в высокоскоростных потоках», AIAA Journal, Vol. 38, 553, 2000.
Туроу Б., Цзян Н., Лемперт В. и Самими М. «МГц-планарная доплеровская скорость измерения скорости в сверхзвуковых струях», AIAA Journal, Vol. 43, 500, 2005.
Хоукс, Г.С., Торп, С.Дж. и Эйнсворт, Р.В., «Разработка трехкомпонентной доплеровской системы глобальной скорости», в материалах 17-го симпозиума по методам измерения трансзвуковых и сверхзвуковых потоков в каскадах и турбомашинах, Стокгольм, Швеция (2004 г.) .
Чарретт, Т.О.Х., Форд, Х.Д. и Татам, Р.П., «Измерения планарной доплеровской скорости одной камерой в 3D с использованием пучков волокон для визуализации», Журнал физики, серия конференций, Vol. 45 (2006) 193-200.
Эдди Ирани и Л. Скотт Миллер, «Оценка базовой доплеровской глобальной системы измерения скорости», SAE-951427, 1995 г.

Внешние ссылки

Планарная доплеровская скорость, разработанная Университета Крэнфилда. Группой инженерной фотоники
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/