平面ドップラー速度測定

平面ドップラー速度測定法(PDV) は、ドップラーグローバル速度測定法 (DGV) とも呼ばれ、流れに含まれる粒子によって散乱される光の周波数のドップラーシフトを測定することで、平面全体の流速を決定します。ドップラーシフト Δf _dは、流体の速度に関係しています。比較的小さな周波数シフト(1 GHz 程度) は、原子または分子の蒸気フィルターを使用して識別されます。このアプローチは、現在フィルタードレイリー散乱法として知られているものと概念的に似ています(Miles および Lempert、1990)。

現在までに、典型的な 1 コンポーネント PDV 機器は、パルス注入シードNd:YAGレーザー、1 台または 2 台の科学グレード CCD カメラ、および分子ヨウ素フィルターを使用しています。レーザーは、狭いスペクトル線幅の光で流れの平面を照射するために使用されます。次に、ドップラーシフトした散乱光は、ビームスプリッターを使用して 2 つのパスに分割され、カメラ上に画像化されます。このようにして、散乱光がビーム パスの 1 つに配置されたヨウ素セルを通過する際の散乱光の絶対吸収が、物体平面内のすべての空間位置で測定されます。比較的大きな粒子 (つまり、ミー散乱) による散乱の場合、この吸収は粒子の速度のみの関数です。正確なキャリブレーションおよび画像マッピング アルゴリズムが開発され、その結果、約 1～2 m/s の速度精度が可能になりました。 PDV の歴史、その応用技術、最近の進歩に関する詳細は、Elliott と Beutner (1999) および Samimy と Wernet (2000) による包括的なレビュー記事に記載されています。

PDV は、粒子のシーディングが懸念されるため PIV が実用的でない場合の高速フロー測定に適しています。PDV では粒子が光を散乱する必要がありますが、個々の粒子を画像化する必要がないため、はるかに小さなシード粒子を使用でき、測定が粒子シード密度にあまり影響されなくなります。たとえば、一部の非加熱超音速フロー施設では、水、アセトン、エタノールなどの蒸気の凝縮を利用してフロー内にシード粒子を生成することができます。この方法を使用して生成される粒子は生成物形成と呼ばれ、直径が約 50 マイクロメートルと推定されています。

PIV とは異なり、PDV では流れ場の単一の画像のみが必要です。この画像は、時間平均画像を生成するために長期間 (流れ内の特性時間スケールに対して) にわたって撮影されるか、または瞬間的な流れ速度の測定値を取得するために単一のレーザー パルス (約 10ns) を使用する場合があります。単一のレーザー パルスの持続時間は、PIV 内で使用されるパルス間隔よりも少なくとも 1桁短くなります。PDV のこの機能により、衝撃波などの急激な速度不連続の解像度が向上します。

さらに、PDV は本質的に PIV (通常 16 x 16 ピクセルの小さな画像サブ領域を使用して速度を判定) よりも高い解像度を持ち、フロー画像内の各ピクセルの速度測定値を取得できます。ただし、特に PDV を使用した瞬間測定の場合、レーザースペックルの有害な影響を減衰させ、信号対雑音比を改善するために、一部のピクセルビニングが使用されます。

PDV の主な弱点は、正確な測定を行うために必要な光学設定が複雑であることです。速度の各成分について、2 つの画像 (信号と参照) が必要であり、通常は 2 台のカメラが必要です。したがって、速度の 3 つの成分すべてを取得するには、最大 6 台のカメラを同時に使用する必要がありますが、Charrettら(2006) および Hawkesら(2004) による最近の研究では、必要なカメラの数が 6 台から 1 台に徐々に減少しています。さらに、測定に使用するレーザーは線幅が狭くなければならず、これは通常、レーザー キャビティの注入シーディングによって行われます。シーディングを使用しても、レーザー周波数は時間とともに変動することがあり、監視する必要があります。これにより、実験設定がさらに複雑になります。PDV システムは、多くの研究室で使用されていますが、まだ市販されておらず、ゼロから構築すると非常に高価になる可能性があります (機器、データ処理、経験、労力など)。

• Elliott, GS および Beutner, TJ、「分子フィルタベースの平面ドップラー速度測定法」、Progress in Aerospace Sciences、Vol. 35、799、1999 年。
• McKenzie, RL、「パルスレーザーを使用した平面ドップラー速度測定の測定機能」、Applied Optics、Vol. 35、948、1996年。
• Samimy, M.、および Wernet, MP、「高速流における平面多成分流速測定法のレビュー」、AIAA Journal、Vol. 38、553、2000 年。
• Thurow, B.、Jiang, N.、Lempert, W.、およびSamimy, M.、「超音速ジェット機におけるMHzレート平面ドップラー速度測定」、AIAAジャーナル、Vol. 43、500、2005年。
• Hawkes, GS、Thorpe, SJ、Ainsworth, RW、「3 成分ドップラー全球流速測定システムの開発」、第 17 回カスケードおよびターボ機械の遷音速および超音速流れの測定技術シンポジウムの議事録、スウェーデン、ストックホルム(2004 年)。
• Charrett, TOH、Ford, HD、Tatam, RP、「イメージングファイバーバンドルを使用した単一カメラ3D平面ドップラー速度測定」、Journal of Physics、カンファレンスシリーズ、Vol. 45 (2006) 193-200。
• Eddie Irani および L. Scott Miller、「基本的なドップラーグローバル速度測定システムの評価」、SAE-951427、1995 年

• http://www.psp-tsp.com/pdv/