2. Современные методы диагностики развивающихся потоков. Лдис оборудование

В основу ЛДИС потока жидкости и газа положен эффект Доплера, который заключается в следующем: при относительном перемещении источника и приемника электромагнитных колебаний частота колебаний ν₁, воспринимаемых приемником, отличается от частоты колебаний ν₀ источника, причем

_, (1)

где v – скорость относительного движения; с – скорость света; β- угол между направлением движения источника и линией, соединяющей приемник и источник. Знак + отвечает приближению источника, знак - - удалению.

Эффект Доплера нашел широкое применение в гидродинамике, теплообмене и имеет место при рассеивании направленного излучения источника частицами движущейся среды. Этот эффект положен в основу создания ЛДИС среды.

Лазеры – источник мощного монохроматического когерентного излучения.

Рис. 1. Схема лазерного доплеровского измерителя скорости с опорным лучом. 7 —лазер; 2 —диафрагма; 3 — фокусирующий объектив; 4— собирательный объектив для рассеянного излучения; 5 — зеркало; 6—свето-делительная пластина (полупрозрачное зер­кало ПЗ); 7 — зеркало; 8—фотоэлектрический умножитель; 9 — нейтральный фильтр; 10—со­бирательный объектив для опорного излучения; 11— усилитель; 12—спектроанализатор; 13—блок питания; 14 — генератор рассеивающих частиц (I — опорный луч . II—луч рассеянного излу­чения).

Рис.1. Схема одного из вариантов ЛДИС.

Луч лазера 1 непрерывного действия (это опорный луч), пройдя диафрагму 2, фокусируется объективом 3 в исследуемой точке пространства M.

Излучение лазера, рассеянное под углом α к направлению прямого луча, собирается объективом 4, фокусируется и при помощи зеркала 5 через полупрозрачное зеркало 6 направляется в фотоэлектрический умножитель 8 (ФЭУ). Зеркало 7 предназначено для устранения разницы оптических путей прямого и рассеянного лучей. Равентсво оптических путей необходимо для улучшения качества гетеродинирования (это процесс выделения разностной частоты при смешении двух процессов с разными частотами) на входе в ФЭУ. Полученный в результате гетеродинирования сигнал посупает в усилитель 11, а затем в 12 (анализатор спектра), где регистрируется доплеровская частота .

Скорость потока определяется по измеренной доплеровской частоте из соотношения

,

где - масштабный коэффициент; n – показатель преломления среды; α – угол между прямым и рассеянными лучами; λ_∞ - длина волны основного излучения.

Для рассеяния луча лазера поток должен содержать частицы (центры рассеяния) , движущиеся со скоростью света. Ими могут быть частицы пыли, находящиеся в потоке, или частицы, искусственно вводимые в поток. Для этой цели предназначен генератор рассеивающих частиц 14.Концентрация рассеивающих частиц составляет 1:30 000÷1:50 000 часть объема газа. Схемы с одним опорным лучем нашли применение для определения трехмерных потоков. В этих схемах ЛДИС доплеровская частота зависит от направления наблюдения.

По способу выделения доплеровской частоты схемы регистрации ЛДИС делятся:

1. Фотоэлектронные, основанные на гетеродинном преобразовании опорного и рассеянного излучения.

2. Оптические (спектральные), основанные на использовании интерферометров Фабри-Перо или Кона..

Для первой группы: здесь верхний предел для измерения скоростей -100м/с, нижний – 0.01 м/с (это порядок скоростей диффузии в газе).

Достоинства второй группы: 1) имеют высокие значения верхний пределов (нет ограничений); 2) нижний предел – 1 м/с.

Преимущества ЛДИС над термоанемометрическим оборудованием.

1. Непосредственно определяют значения локальных скоростей

2. Не вносят возмущений

3. Не нуждаются в градуировке

4. Обладают малой погрешностью

5. практически безинерционны

6. незаменимы в анализе турбулентных течений, т.к. быстродейственны.

Недостатки ЛДИС.

1. Сложность аппаратуры

2. Необходимость введения в поток примеси, нормированных по размеру и количеству.