قياس دوبلر لسرعة التدفق المستوي

قياس دوبلر لسرعة التدفق المستوي ()، والذي يُشار إليه أيضًا باسم قياس دوبلر العالمي للسرعة (Doppler Global Velocimetry DGV)، هو قياس يُحدد سرعة تدفق مادةٍ ما عبر المستوى عن طريق قياس تحول دوبلر في تردد الضوء المنتشر بواسطة الجسيمات الموجودة في المادة المتدفقة. حيث أن إزاحة دوبلر Doppler shift، Δf d ، مرتبطة بسرعة السائل المتدفق. فمن خلال رصد التحول الترددي frequency shift الصغير نسبيًا (في حدود 1 جيجا هيرتز) يمكن التمييز بين الإشعاع الكهرومغناطيسي باستخدام مُرشح بخار ذري أو جزيئي. هذا النهج مماثل من الناحية المفاهيمية لما يُعرف الآن باسم التشتت الرايلي المفلتر.(مايلز وليمبيرت، 1990).

 معدات القياس 
حتى الآن، يتكون جهاز قياس دوبلر لسرعة التدفق المستوي PDV من مكون واحد نموذجي لـ الليزر Nd:YAG ذو البذور المحقونة النبضية pulsed injection-seeded، وكاميرا CCD واحدة أو اثنتين من التي تُستخدم في الأغراض العلمية، ومرشح اليود الجزيئي. يُستخدم الليزر لإضاءة مستوى التدفق باستخدام خط ضوء طيفي ضيق. ثم بعد ذلك يجري تقسيم الضوء المبعثر المتحول بواسطة دوبلر إلى مسارين باستخدام مُقسم الشعاع ويجري تصويره بواسطة الكاميرا (أو الكاميرات). وبهذه الطريقة، يمكن قياس الامتصاص المطلق للضوء المبعثر، أثناء مروره عبر خلية اليود الموضوعة في أحد مسارات الشعاع، في كل موقع مكاني داخل مستوى الجسم. بالنسبة للتشتت بواسطة جسيمات كبيرة نسبيًا (أي تشتت مي Mie scattering)، فإن هذا الامتصاص يعتمد على سرعة الجسيم particle velocity فقط. أمكن تطوير خوارزميات مُعايَرة دقيقة ورسم خرائط للصور لتصل دقة قياس السرعة بهذه الطريقة إلى ~1-2 م/ث. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول تاريخ طريقة قياس دوبلر لسرعة التدفق المستوي PDV وطريقة تطبيقه والتطورات الأخيرة في مقالات المراجعة الشاملة التي كتبها إليوت وبيوتنر (1999)Elliott, G. S. and Beutner, T. J., “Molecular filter based planar Doppler velocimetry,” Progress in Aerospace Sciences, Vol. 35, 799, 1999. وساميمي وويرنت (2000).Samimy, M., and Wernet, M.P., “Review of planar multiple-component velocimetry in high-speed flows,” AIAA Journal, Vol. 38, 553, 2000.

 نقاط قوة القياس 
تعتبر تقنية قياس دوبلر لسرعة التدفق المستوي PDV مناسبة جدًا لقياسات التدفق عالية السرعة، خاصةً عندما يكون هناك مخاوف بشأن تلقيح الجسيمات الذي يجعل تقنية قياس سرعة التدفق من خلال تصوير الجسيمات (Particle image velocimetry PIV) غير عملية. على الرغم من أن تقنية قياس دوبلر PDV تتطلب من الجسيمات تشتيت الضوء، ففليس هناك حاجة لتصوير الجسيمات الفردية، مما يسمح باستخدام جزيئات بذور أصغر بكثير ويجعل القياسات أقل حساسية لكثافة بذور الجسيمات. على سبيل المثال، في بعض مرافق التدفق فوق الصوتي غير المدفأة، من الممكن استخدام تكثيف البخار، مثل الماء أو الأسيتون أو الإيثانول، لإنتاج جزيئات البذور في التدفق. وقد جري تقدير الجسيمات المتكونة باستخدام هذه الطريقة، المعروفة باسم تكوين المنتج product formation، بقُطر يبلغ قرابة 50 ميكرومترًا.

على عكس طريقة قياس سرعة التدفق من خلال تصوير الجسيمات PIV، فإن طريقة دوبلر للقياس PDV تتطلب صورة واحدة فقط لمجال التدفق. يمكن التقاط هذه الصورة على مدى فترة طويلة (نسبة إلى مقاييس أوقات الخصائص داخل التدفق) لإنتاج صور ذات متوسط زمني أو بدلاً من ذلك باستخدام نبضة ليزر واحدة (حوالي 10 نانوثانية) للحصول على قياس لسرعات التدفق اللحظية. إن مدة نبضة الليزر الواحدة أقصر بمقدار مرتبة أُسية واحدة على الأقل من فترات فصل النبضات المستخدمة داخل قياس سرعة التدفق من خلال تصوير الجسيمات PIV. تتيح هذه الميزة في قياس دوبلر PDV تحسين دقة انقطاعات السرعة الحادة مثل موجات الصدمة.

بالإضافة إلى ذلك، يتمتع قياس دوبلر PDV بدقة أعلى بطبيعته من قياس سرعة التدفق من خلال تصوير الجسيمات PIV (حيث يجري استخدام مناطق فرعية صغيرة من الصورة لتحديد السرعة عادةً 16 × 16 بكسل) ويمكن الحصول على قياس السرعة لكل بكسل داخل صورة التدفق. ومع ذلك ، وخاصة في حالة القياس اللحظي باستخدام قياس دوبلر PDV، يُستخدم بعض تجميع وحدات البكسل للتخفيف من التأثيرات الضارة لبقع الليزر وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

 نقاط ضعف القياس 
إن الضعف الرئيسي في طريقة قياس دوبلر لسرعة التدفق المستوي PDV هو الإعداد البصري المعقد المطلوب تنفيذه للحصول على قياسات دقيقة. فهناك حاجة لالتقاط صورتين (صورة للإشارة وأخرى للمرجع) لكل مكون من مكونات السرعة، وهو ما يتطلب عادةً استخدام كاميرتين. لذلك، يتطلب الحصول على جميع مكونات السرعة الثلاثة الاستخدام المتزامن لما يصل إلى ست كاميرات معًا، على الرغم من أن العمل الأخير الذي أجراه شاريت وآخرون (2006)Charrett, T.O.H, Ford, H.D. and Tatam, R.P., “Single Camera 3D Planar Doppler Velocity Measurements using Imaging Fibre Bundles”, Journal of Physics, Conference Series, Vol. 45 (2006) 193-200. وهوكس وآخرون (2004)Hawkes, G.S., Thorpe, S.J. and Ainsworth, R.W., “Development of a Three-Component Doppler Global Velocimetry System”, in Proceedings of the 17th Symposium of Measuring Techniques in Transonic and Supersonic Flow in Cascades and Turbomachines, Stockholm, Sweden (2004). جعل من الممكن بشكل تدريجي تقليل عدد الكاميرات المطلوبة من ست كاميرات إلى كاميرا واحدة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون الليزر المستخدم في القياسات ذو عرض خطي ضيق، وهو ما يجري عادةً عن طريق حقن تجويف الليزر laser cavity. حتى مع عملية البذر، قد يتقلب تردد الليزر مع الوقت ويجب مراقبته. وهذا يضيف تعقيدًا إضافيًا إلى إعداد التجربة للقياس. على الرغم من استخدام أنظمة قياس دوبلر لسرعة التدفق المستوي PDV في العديد من المختبرات، إلا أنها ما زالت غير متاحة تجاريًا بعد، وقد تكون باهظة الثمن (بسبب المعدات، ومعالجة البيانات، والخبرة المطلوبة، والعمالة، وما إلى ذلك) إذا جرى بناؤها من الصفر.

 المراجع 

 المصادر 
 Elliott, G. S. and Beutner, T. J., "قياس سرعة دوبلر المستوي القائم على الفلتر الجزيئي" “Molecular filter based planar Doppler velocimetry,” Progress in Aerospace Sciences, Vol. 35, 799, 1999.
 McKenzie, R.L., "قدرات القياس لسرعة دوبلر المستوية باستخدام الليزر النبضي " “Measurement capabilities of planar Doppler velocimetry using pulsed lasers,” Applied Optics, Vol. 35, 948, 1996.
 Samimy, M., and Wernet, M.P., "مراجعة قياس السرعة متعدد المكونات المستوي في التدفقات عالية السرعة" “Review of planar multiple-component velocimetry in high-speed flows,” AIAA Journal, Vol. 38, 553, 2000.
 Thurow, B., Jiang, N., Lempert, W. and Samimy, M., "قياس سرعة دوبلر المستوي بمعدل ميغاهيرتز في الطائرات الأسرع من الصوت" “MHz Rate Planar Doppler Velocimetry in Supersonic Jets,” AIAA Journal, Vol. 43, 500, 2005.
 Hawkes, G.S., Thorpe, S.J. and Ainsworth, R.W., "تطوير نظام قياس السرعة العالمي دوبلر ثلاثي المكونات" “Development of a Three-Component Doppler Global Velocimetry System”, in Proceedings of the 17th Symposium of Measuring Techniques in Transonic and Supersonic Flow in Cascades and Turbomachines, Stockholm, Sweden (2004).
 Charrett, T.O.H, Ford, H.D. and Tatam, R.P., "قياسات سرعة دوبلر ثلاثية الأبعاد باستخدام كاميرا واحدة باستخدام حزم ألياف التصوير" “Single Camera 3D Planar Doppler Velocity Measurements using Imaging Fibre Bundles”, Journal of Physics, Conference Series, Vol. 45 (2006) 193-200.
 Eddie Irani and L. Scott Miller, "تقييم نظام قياس السرعة العالمي الأساسي باستخدام دوبلر" "Evaluation of a Basic Doppler Global Velocimetry System", SAE-951427, 1995

 روابط خارجية 

 http://www.psp-tsp.com/pdv/

تصنيف:قياسات