Доплеровская анемометрия

Принцип действия доплеровской анемометрии

Доплеровская анемометрия основана на эффекте Доплера — изменении частоты (или длины волны) электромагнитного излучения при отражении или рассеянии от движущихся объектов. В контексте лазерной физики, этим объектом, как правило, выступают частицы или неоднородности в потоке газа или жидкости. При облучении таких частиц узким когерентным лазерным пучком, отражённый или рассеянный свет приобретает смещение частоты, прямо пропорциональное проекции скорости частицы на направление наблюдения.

Оптическая схема лазерного доплеровского анемометра (ЛДА)

Лазерный доплеровский анемометр обычно состоит из следующих компонентов:

  • Источник когерентного излучения (как правило, гелий-неоновый или аргоновый лазер);
  • Оптическая система, формирующая два пересекающихся лазерных пучка;
  • Область пересечения пучков, в которой создаётся интерференционный объем (зона измерения);
  • Фотоприёмник, регистрирующий модуляции рассеянного излучения;
  • Частотный анализатор для обработки полученного сигнала.

В месте пересечения двух когерентных лазерных пучков образуется интерференционная картина — система светлых и тёмных полос. Если частица перемещается через этот интерференционный объём, интенсивность рассеянного ею света модулируется с частотой, зависящей от её скорости. Эта частота и является доплеровским сигналом.

Математическое описание метода

Пусть два лазерных пучка с длиной волны λ пересекаются под углом 2θ. В зоне пересечения формируются стоячие волны с пространственным периодом:

$$ d = \frac{\lambda}{2 \sin\theta} $$

Если частица движется со скоростью v, проекцией которой на плоскость интерференции является vp, то частота модуляции рассеянного света определяется как:

$$ f_D = \frac{v_p}{d} = \frac{2v_p \sin\theta}{\lambda} $$

Таким образом, измеряя частоту модуляции fD, можно вычислить компоненту скорости частицы в направлении интерференционных полос. Изменяя геометрию пучков, можно получить разные компоненты вектора скорости и тем самым восстановить полную картину течения.

Режимы измерений и типы потоков

Лазерная доплеровская анемометрия применяется для анализа как ламинарных, так и турбулентных течений. Возможны три основные конфигурации ЛДА:

  • Однокомпонентная ЛДА — измерение только одной проекции скорости;
  • Двухкомпонентная ЛДА — использование двух пар пучков под разными углами;
  • Трёхкомпонентная ЛДА — полное восстановление трёхмерного вектора скорости, что требует третьего лазера или использования трёх пар пучков с соответствующими углами пересечения и отдельными фотоприёмниками.

Для получения статистики турбулентных пульсаций используется корреляционная или спектральная обработка сигнала.

Выбор частиц и маркеров потока

Для корректного измерения необходимо наличие рассеивающих центров — частиц, движущихся со скоростью потока. Эти частицы могут быть:

  • Примеси в воздухе (пыль, аэрозоли);
  • Искусственно вводимые маркеры (частицы латекса, масло, дым);
  • Тепловые неоднородности (в термоанемометрии с лазерной накачкой).

Важно, чтобы частицы обладали достаточной оптической плотностью и следовали за потоком без инерционного запаздывания.

Обработка и регистрация сигнала

Сигнал, поступающий на фотоприёмник, представляет собой гармоническую волну с частотой fD, наложенную на шумовой фон. Для извлечения точной информации о частоте применяются:

  • Быстрое преобразование Фурье (FFT);
  • Фильтрация по полосе пропускания;
  • Цифровая корреляция с последующей фильтрацией.

Высокое временное разрешение позволяет получить не только среднюю скорость, но и информацию о пульсациях, градиентах скорости, вихревых структурах.

Преимущества метода

  • Бесконтактность — отсутствие механического воздействия на поток;
  • Высокая точность — измерения возможны с точностью до 0.1% от реальной скорости;
  • Высокое пространственное разрешение — зона измерения может иметь размеры до десятков микрометров;
  • Широкий динамический диапазон — возможность измерений как в медленных, так и в высокоскоростных потоках;
  • Мгновенное получение данных — особенно актуально в задачах турбулентности и переходных режимов.

Ограничения и сложности

  • Необходимость в наличии рассеивающих частиц;
  • Чувствительность к вибрациям и оптическим помехам;
  • Сложность выравнивания пучков и калибровки интерференционного объёма;
  • Трудности применения в непрозрачных или сильно поглощающих средах;
  • Ограниченное поле зрения и необходимость перемещения зоны измерения для анализа больших объёмов.

Применения в науке и технике

Доплеровская анемометрия широко применяется в следующих областях:

  • Аэродинамика — изучение потоков в аэродинамических трубах, обтекание тел, измерение пограничного слоя;
  • Гидродинамика — анализ течений в открытых и закрытых каналах, вихревые структуры;
  • Комбустионная диагностика — измерение скоростей газов в камерах сгорания, турбинах;
  • Медицина — исследование кровотока в сосудах и капиллярах;
  • Микрофлюидики — измерение скоростей в микроканалах и в биочипах;
  • Турбулентность — детальное исследование структуры турбулентных пульсаций, в том числе в реактивных струях и вихревых кольцах.

Альтернативы и развитие метода

Развитие цифровых технологий позволило внедрить методы фазового анализа, гетеродинного смещения, а также многолучевых систем. Также развиваются методы на основе когерентного рассеяния, голографической реконструкции и интеграции с другими оптическими методами, такими как:

  • PIV (Particle Image Velocimetry) — визуализация и количественный анализ полей скорости;
  • LDV-совмещённая спектроскопия — одновременное измерение скорости и температуры;
  • Мультиспектральная ЛДА — применение нескольких длин волн для селективного анализа.

Таким образом, доплеровская анемометрия остаётся одним из наиболее точных и универсальных методов диагностики движущихся сред в современной лазерной физике.

Оглавление