Лазерная доплеровская анемометрия

Лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА) представляет собой метод высокоточного измерения локальных скоростей жидкости или газа на основе эффекта Доплера, возникающего при рассеянии лазерного излучения на микроскопических частицах, находящихся в потоке. Основная идея ЛДА заключается в том, что частицы, следуя за потоком, служат точечными маркерами движения среды, позволяя определить мгновенную скорость в выбранной точке.

Суть метода формулируется следующим образом: два когерентных лазерных луча пересекаются в пространстве, образуя интерференционную картину (фризу), которая служит детектором скорости. Частица, проходящая через зону пересечения, рассеивает свет, и частота рассеянного сигнала изменяется пропорционально скорости частицы вдоль направления, соединяющего точки пересечения лазеров.

Формула эффекта Доплера в ЛДА имеет вид:

$$ f_D = \frac{2 v}{\lambda} \sin\left(\frac{\theta}{2}\right) $$

где fD — частота Доплера, v — проекция скорости частицы на биссектрису угла θ между лазерными лучами, λ — длина волны лазера.

Конфигурации ЛДА

Существуют несколько ключевых схем ЛДА:

  1. Двухкомпонентная система — позволяет измерять скорость в одной плоскости, используя два лазерных луча. Применяется в экспериментах с простыми геометриями потока, например, в трубопроводах или каналах.
  2. Трехкомпонентная система — комбинация нескольких пересекающихся лазерных лучей обеспечивает измерение трех проекций скорости. Эта конфигурация критически важна для турбулентных потоков с пространственно сложной структурой, где присутствуют вихри разных масштабов.
  3. Фокусированная схема — лучи фокусируются в малой объеме, повышая пространственное разрешение измерений до десятков микрометров, что необходимо при исследовании мелкомасштабной турбулентности.

Пространственное и временное разрешение

ЛДА обеспечивает исключительное пространственное разрешение благодаря фокусировке лазерного луча и малому объему измерительной зоны (т.н. измерительный объем, order of 0.1–1 мм³). Временное разрешение ограничено скоростью детекторов и размером частиц. Для частиц диаметром 1–10 мкм типичное время прохождения через измерительный объем составляет микросекунды, что позволяет фиксировать высокочастотные колебания турбулентного потока.

Ключевым преимуществом ЛДА является отсутствие влияния измерительных приборов на сам поток. В отличие от механических датчиков, таких как анемометры горячего провода или Пито-трубки, лазерное излучение не создает механического сопротивления и не искажает локальные поля скорости.

Применение ЛДА в турбулентных исследованиях

ЛДА активно используется для исследования как гидродинамической, так и аэродинамической турбулентности. Основные направления применения:

  • Измерение среднеквадратичной скорости — получение статистических характеристик турбулентного потока, таких как дисперсии, корреляционные функции и интенсивность турбулентности.
  • Построение спектров турбулентности — за счет высокочастотного разрешения ЛДА позволяет получать энергетические спектры, сравнимые с теоретическими предсказаниями Кольмогорова для диапазона инерции.
  • Верификация моделей турбулентности — экспериментальные данные ЛДА служат эталоном для проверки численных моделей, включая RANS, LES и DNS.
  • Исследование структур турбулентных вихрей — трехкомпонентная ЛДА позволяет определить ориентацию и величину локальных вихрей, что важно для анализа турбулентного переноса импульса и энергии.

Технические аспекты измерений

Для обеспечения надежных результатов ЛДА использует следующие технические элементы:

  • Когерентные лазеры — обычно это полупроводниковые или неоновые лазеры с длиной волны 532–633 нм. Важно стабильное когерентное излучение для получения четкой интерференционной картины.
  • Система сбора света — фотодетекторы с высокой чувствительностью и полосой пропускания до сотен кГц обеспечивают регистрацию высокочастотных сигналов.
  • Обработка сигналов — гетеродинные методы и спектральный анализ позволяют выделять частоту Доплера из шумного сигнала. Часто применяется корреляционный анализ для определения скорости частиц в условиях многопоточности потока.
  • Использование следовых частиц — для газа или жидкости вводятся микроскопические частицы (например, диоксид титана или полистирол), которые точно следуют за потоком без значительного отставания.

Ограничения и погрешности

Несмотря на высокую точность, ЛДА имеет ряд ограничений:

  • Наличие следовых частиц — поток должен содержать частицы, рассеивающие лазерный свет. В некоторых чистых газах или жидкостях требуется искусственное добавление частиц.
  • Оптическая прозрачность среды — плотные или сильно мутные среды ограничивают эффективность метода.
  • Направленность измерений — проекция скорости измеряется вдоль биссектрисы лазерного угла; для получения полной картины необходимо несколько измерительных конфигураций.
  • Частотные ограничения — максимальная измеряемая скорость ограничена диапазоном детекторов и допустимой частотой Доплера без неоднозначностей.

Преимущества ЛДА в турбулентных исследованиях

  • Неинвазивность — отсутствие механического воздействия на поток.
  • Высокое пространственное и временное разрешение — позволяет изучать как крупномасштабные, так и маломасштабные вихревые структуры.
  • Прямой доступ к локальным компонентам скорости — особенно важен для многокомпонентных и нестационарных потоков.
  • Совместимость с численными моделями — экспериментальные данные служат для калибровки и проверки вычислительных подходов.

Лазерная доплеровская анемометрия занимает ключевое место среди современных методов экспериментального изучения турбулентности, обеспечивая детальную и надежную информацию о динамике потоков на различных масштабах. Ее высокая точность и неинвазивность делают ЛДА незаменимым инструментом при исследовании сложных гидродинамических и аэродинамических систем.

Оглавление