بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی روشهای غیرتداخلی سنجش سرعت و مشاهده رفتار جریان سیال و ذرات در آزمایشهای تجربی
چکیده
تعیین مقادیر و تایید اعتبار نتایج حاصل از تئوری، همواره چالش اصلی علم در زمینه سیالات است. روشهای تداخلی با قرارگیری سنسور درون جریان سیال باعت بوجود آمدن خطاهای سیستمی میگردد که اغلب غیرقابل اجتناب است. با گسترش علم لیزر و اپتیک و علوم کامپیوتر روشهای غیر تداخلی سنجش از خارج جریان که تغییری در جریان ایجاد نمیکنند، توجه محققان را جلب نموده است که با آشکارسازی جریان نیز ارتباط مستقیم دارند. سرعتسنجی با اثر دوپلر، تصویر ذره و برچسبزنی مولکولی سه روش مطلوب و رایجاند که هریک آزمایشهای مختلفی را پوشش میدهند. تعیین رفتار انواع پدیدههای جریان داخلی و خارجی، انتشار ذرات و جابجایی جرم و توده، تعیین قطر ذرات و قطرات و حتی برای انتقال حرارت نیز کارآمد میباشند. بیان مبانی، اجزا و نحوه عملیاتی نمودن آزمایش جز مهمترین مباحث این مقاله میباشد که سعی گردیده است به صورت یکپارچه و کامل بیان گردد.
کلمات کلیدی
سرعتسنجی غیر تداخلی، مشاهده رفتار سیال، سرعتسنجی اثر دوپلر، سرعت سنجی تصویر ذره، برچسبزنی مولکولی.
-1 مقدمه
انتخاب ابزار مناسب جریان سنجی تاثیر زیادی بر کل سامانه اندازهگیری و دادهبرداری مسایل تجربی و آزمایشگاهی دارند. این انتخاب صحیح در سنجش جریان بسیاری از مسایل آزمایشگاهی، اندازهگیری قطر ذرات و بازرسی (مانند کارخانههای مواد معدنی) موجب افزایش راندمان خواسته مدنظر و کاهش هزینههای جانبی میگردد. در مسایل مربوط به بررسی رفتار ذرات سیال (مانند جابجایی ذره، مقادیر مختلف سرعت، آشکارسازی ذرات و جریان، تعیین قطر ذره، سرعتهای جهتی، سرعتهای توربولانسی و غیره) و سنجش این تغییرات نیازمند داشتن اطلاعاتی جامع از سامانه آزمایشگاهی سیال مدنظر است. مهمترین کمیت که در این بحث مدنظر است، میزان جابجایی یا سرعت میباشد که میتوان سایر پارامترهای مورد تحقیق در مسایل گوناگون را نیز سنجید. روش تداخلی آزمایشگاهی استفاده از سیم داغ1 رایجترین سرعتسنج موجود است. با گسترش تکنولوژیهای دیجیتال و علم لیزر و اپتیک، روشهای غیرتداخلی بر پایه روشنسازی توسط لیزر ظهور کرد-[1]
.[3]
قبل از ورود به روشهای اندازهگیری غیرتداخلی، توضیح و بیان مفاهیمی ساده از لیزر مناسب خواهد بود و در ادامه بحث چگونگی هر رخداد بهتر درک میشود. اگر تودهای گاز را جدا کرده و مولکول-های آن را درنظر بگیریم، درحرکت فضایی مولکولها صورتهای مختلفی از تبدیلهای انرژی مشاهده میگردد و لرزش اتمها نسبت به حالا تعادل در برگیرنده انرژی سینیتیکی و پتانسل اتم خواهد بود که موجب انتقال الکترونها میشود و منشایی الکترونیکی دارد. یک خصوصیت شگفتانگیز این اشکال انرژی مولکولی این است که نمی-تواند هر مقدار دلخواه را اختیار کند و مولکول در طول زمان فقط مجاز به قرارگیری در یک سطح انرژی مشخص است. این توزیع در رفتار لیزر بسیار با اهمیت است و در هر لحظه با تغییر در دما یا تخلیه الکتریکی، توزیع تغییر میکند. اگر ذره با عاملی خارجی تحریک شود مقداری انرژی از دست خواهد داد و این انرژی در قالب فوتون خواهد بود که دارای فرکانس مشخص خواهد بود و با داشتن اختلاف سطح انرژی و ثابت پلانک قابل محاسبه است.
(1)
در کل نیازهای اساسی برای استفاده از لیزر در هر سیستم وجود دارد که در زیر بیان شده است.
· وجود یک ماده که دارای پایداری ذرات باشد. بدین معنی که در سطح مناسبی از انرژی قرار دارد.
· توانایی به وجود آمدن و تولید وارونگی جمعیت مولکولی در سیستم فراهم شود.
• تعداد زیادی از اتمهایی که در سطح انرژی تحریک شده است، باید وجود داشته باشد تا هدف استفاده از لیزر برآورده شود.
به صورت خلاصه مشخصههای نوری یک لیزر شامل موارد زیر خواهد بود.
· شدت بالا
· جهت
· ارتباط و به هم پیوستگی
· مونوکروماتیکی( مربوط به نور تک رنگ و تابش یک طول
موج یا محدوده طول موجهای باریک) [7]-[4] نبود منبع فارسی مناسب، معتبر و یکپارچه در این زمینه موجب ترغیب و تلاش برای جمعآوری مطالب گردیده است. پراکندگی منابع انگلیسی، عدم پوشش مطالب منبع و چیدن صحیح مطالب باعت گردیده است که در انتهای هر بخش تمامی منابع مربوطه ذکر گردد.
-2 سرعتسنجی با اثر دوپلر در لیزر (2LDV)
در این روش سرعت ذرات سیال را با آشکارسازی تغییر فرکانس نور لیزر که از ذرات در حال حرکت منعکس میشود، سنجیده می-شود. در ابتدا تغییر فرکاس نور لیزر منعکس شده به صورت تحلیلی و به اصطلاح روی کاغذ توسط دو محقق با نامهای کومینس و کانبل که به عنوان مشاهدات پخشی در نور انعکاسی رایلی در علم فیزیک بیان گردیده است.
-1-2 مبانی و عملکرد روش LDV
در این روش استفاده از نور لیزر و پرتوهای آن اساس کار و رویکردهای علمی در بحث اپتیک مبنای کار خواهد بود. اگر یک پرتو نور با طول موج را درنظر بگیریم که در هنگام عبور از خطوط جریان مورد آزمایش، با راستای آن زاویه بسازد که در تصویر 1 نشان داده شده است. با روشنسازی ذرات معلق درون سیال، نور انعکاسی در تمام جهتها پراکنده خواهد شد. قاعدتا رفتار و نحوه پراکندگی پرتوها از حرکت ذرات سیال سرچشمه گرفته میشود و این تغییر دوپلری فرکانس نورتابشی نسبت به یک مبنا خواهد بود.
در شکل بالا مشاهده میگردد که زاویه بین پرتو انعکاسی و پرتو ساطع شده است و تغییر فرکانس دوپلر به صورت زیر تعریف میشود.
(2)
که در این رابطه سرعت جریان عبوری است. از رابطه بالا مشخص است که اگر زاویه باشد آنگاه مقدار تغییر فرکانس دوپلر برابر صفر خواهد بود. اگر زاویه پرتوی برخوردی و منعکس شده به صورت مساوی نسبت به خط عمود بر راستای جریان انحراف پیدا کند، به عبارتی دیگر رابطه3 تعریف شود و اگر مقدار تغییر دوپلر برای نور انعکاسی برای ما معین باشد، سرعت طبق رابطه 4 بیان می-گردد.
(3)
(4)
در رابطه بالا برای مقدار زاویه انعکاسی قابل انتگرالگیری است. یکی از پرکاربردترین نوع لیزرها هلیوم - نئون است که پرتوهای نوری قرمز رنگ ساطع میکند و طول موج 0,6328 میکرومتر دارد. در این قسمت سنجش زاویه پرتوی انعکاسی مقداری چالش ایجاد میکند. برای این امر از روشهای هندسه اقلیدسی استفاده میکینم. یک دیواره بدون حرکت و مناسب با محل و ساختار آزمایشگاه و ابعاد نمونه آزمایش در فاصله ( معمولا 4 متری از نمونه آزمایش که پرتوها در آن عمل میکنند) قرار میگیرد و تنظیم کردن زاویه پرتو از شکاف خروجی، فاصله مرکز به مرکز نقاط برخوردی پرتوها دیواره برابر رابطه 5 خواهد بود.
(5)
در مواردی که سیال مایع است باید زاویه شکست پرتویی که از مایع به محیط هوا و یا برعکس ساطع میشود، محاسبه مناسب را انجام داد. بحث مهم دیگری که جلوه میکند شدت نور منعکس شده است. این کمیت به موارد مختلفی وابسته است که به آن اشاره می-گردد که شامل شدت کل پرتوهای تصادمی به ذرات، زاویه پرتوهای انعکاسی و قطر نرمال شده ذرات در جایی که طول موج تابش پرتوهای تصادمی رخ میدهد. در مسائل و کاربردهای سرعت سنجی جریانها، قطر ذرات درون جریان با مقادیر بزرگتر و مساوی طول موج تایش پرتوهای تصادمی مقایسه میگردد. در تحقیقهای صورت گرفته در این زمینه، دو محقق با نامهای فوریمن و کوورکس متوجه شدند که انعکاس پرتوها برای زاویههای کوچکتر بسیار بیشتر است. به نحوی که اگر زاویه انعکاسی کمتر از 10 درجه باشد، شدت پرتوها چند صد بار بزرگتر نسبت به زاویه انعکاسی 180 درجه خواهد بود. در شکل زیر مقیاسی کلی برای محدوده پرتوهای تصادمی نشان داده شده است. محور عمودی و افقی مبین زاویهی پرتوهای تصادمی است و ناحیه درون نمودار برای پرتوهای انعکاسی خواهد بود.
از مزایای استفاده از روش اثر دوپلر لیزر در سنجش سرعت ذرات سیال میتوان به موارد زیر اشاره کرد. عدم نیاز به قرارگیری سیستم در جریان و عدم وجود پراب اندازهگیری داخلی است. عدم نیاز به کالیبراسیون وسایل اندازهگیری، توانایی اندازهگیری چندین مولفه مورد نیاز آزمایش، کیفیت و تحلیل فضایی مناسب ذرات، توانایی سنجش و دنبال کردن نوسانات زمانی و مکانی با فرکانس بسیار بالا، دقت بالای اندازهگیری، به نحوی که دقت 0,1 درصد در بسیاری از موارد قابل دسترسی است. عدم نیاز به تابع انتقال (برای مثال تبدیل تغییرات ولتاژ به دادههای سرعت)، پاسخ زمانی کم در اندازهگیری و نوسانات سرعت بالای 50 کیلو هرتز، قابل استفاده در جریانهای مایع و گاز.
چند منظوره بودن روش LDA در بررسی جریانهای مختلف شامل موارد زیر میباشد که تا به حال انجام شده و نتایج آن قابل قبول است. جریانهای مافوق صوت، جریانهای چرخشی، جابجایی انتقال آزاد، جریانهای موتورهای احتراق داخلی، کنشهای شیمیایی جریانها، جریانهای دو فازی، جریانهای آشفته اتمسفری، پلاسما با دمای بالا، بررسی مسائل زیرلایههای لزج جریان، صنایع پمپ و توربوماشینهای سیالاتی و بررسی جریانهای پنوماتیک.
از آنجایی که هر روش مزایا و معایبی دارد، این روش نیز دارای محدودیتهایی است که بعضی را میتوان از عیبهای آن برشمرد از جمله؛ شدت نور انعکاسی از ذرات کوچک بسیار دردسر آفرین است موجب تشکیل سیگنالهای مغشوش میشود. مکانهای تصادفی ذرات پراکنده شده در سیال موجب مشکل شدن تجزیه و تحلیل دادهها خواهد شد. دادهها یک الگوی تصادفی و غیر پیدرپی خواهد داشت. سامانه اپتیکی به ارتعاشات بسیار حساس میباشد.
-2-2 مولفههای سامانه و جاگذاری آن
در روش سرعتسنجی با اثر دوپلر، با توجه به میزان تغییرات فرکانس پرتوها دو مود عملیاتی برای آزمایش وجود دارد. مود اول اندازهگیری بر اساس پرتوی مبنا3 و دیگری مود تداخل حاشیهها4 است. چیدمان و وسایل اندازهگیری اصلی مورد نیاز در مود اندازه-گیری پرتوی مبنا در تصویر زیر نشان داده شده است که 4 جز اصلی دارد.
چهار جز اصلی شامل منبع لیزر هلیوم - نئون، تفکیککننده پرتو، واحد و وسیله سنجش روشنایی پرتوها و پردازشگر سیگنال-های خروجی واحد سنجش روشنایی است. وظیفه لیزر تولید پرتو متمرکز و با کیفیت است که اساس انجام روش اثر دوپلر میباشد. لیزر مربوطه با واکنشها و برانگیختگی گازهای هلیوم- نئون با رنگ قرمز ساطع میگردد. در حالت رایج موجود در آزمایشگاههای دنیا، این قسمت وظیفه تفکیک پرتو اصلی ساطعشده به یک پرتو قوی انعکاسی (با 95 درصد قدرت اصلی) و پرتو ضعیف مبنا (با 5 درصد قدرت اصلی) را برعهده دارد. شیب و انحراف پرتو و همچنین شدت پرتو مبنا قابل کاهش است و با استفاده از تغییر تفکیککننده می-توان این مقادیر را با مقیاس مناسب تنظیم نمود. دو پرتو نسبت به راستای جریان، مایل میباشد و در نقطهای که نیازمند سنجش سرعت آن هستیم، درون کانال جریان با هم تصادم میکنند. هنگامی که جریان با پرتو قوی روشنسازی میشود، ذرات کوچک معلق در جریان سیال نور را در تمام جهتها منعکس میکند. بازه مناسب برای اندازهی بهینه ذرات معلق که نور را منعکس میکنند بین 0,5 تا 5 میکرومتر است. باید دقت کرد که ذرات بزرگتر میزان نور انعکاسی را بیشتر و کیفیت اندازهگیری را بهبود میبخشد ولی از طرفی میزان نوسانات و پارازیت را در سیستم بالا میبرد. میزان بزرگی تغییرات دوپلر وابسته به جهتهایی است که بدست میآید. در طرف دیگر کانال جریان، واحد سنجش روشنایی قرار دارد و تلسکوپی که در این سیستم تعبیه شده است روی محل موردنظر متمرکز میگردد. جمعآوری پرتوهای مبنا منعکس گردیده که در یک راستا قرار دارند، از محل تداخل دو پرتو در نقطهی معین صورت میپذیرد. نور گردآوری شده در یک دستگاه میکروالکترونیکی به نام P.I.N متمرکز میگردد. با استفاده از فوتودیودها و روشهای اختلاط اپتیکی سیگنالهای ضعیفی تولید میگردد که فرکانس تغییرات سیگنال الکتریکی برابر میزان تغییرات دوپلر است. درون واحد سنجش روشنایی یک پیشتقویتکننده داخلی قرار دارد که وظیفه بالا بردن سطح سیگنالها را دارد تا برای انتقال به بخش پردازشگر مناسب باشد. در بخش پردازش سیگنالهای حاصل از تغییر فرکانس دوپلر از یک مجموعه فیلتر الکترونیکی سهبانده عبور میکند تا مقدار نوسانات و پرازیتهای موجود را به حداقل برساند. در ادامه فرکانس سیگنالهای دوپلر توسط یک مبدل الکترونیکی f-V به صورت تناسبی به ولتاژ تبدیل میگردد. از ویژگیهای این مبدل سرعت پاسخ بالای آن است که میتواند مقادیر تغییرات کم فرکانس را دنبال کند. با این اوصاف مقادیر ولتاژ به صورت لحظهای بدست میآید که قابل یاداشت و دستهبندی و یا به صورت دادههای دیجیتالی ذخیره شود و در دسترس قرار گیرد.
در مود دیگر که با نام تداخل حاشیهها شناخته میشود، اولین بار به صورت یک رویکرد علمی و آزمایشگاهی که در علم آیرودینامیک استفاده شد توسط ام.جی.رود در سال 1969 در آزمایشی به نام اندازهگیریها در روش کاهش نیروی پسا با سرعت سنج لیزری صورت پذیرفت. این روش برای پردازش منطقی (تفسیری) سیگنالهای ضبط شده بسیار کارآمد است که با عبور پرتوهای منعکس شده و برخورد مقطعی که با هم دارند، در یک آشکارساز تصویری تشکیل میشوند و تداخلهایی از حاشیهها بدست میآید. در این تصویر الگویی از حاشیههای روشن و تاریک به وجود میآید که در تصویر زیر مشاهده میگردد. فاصله حاشیهها به عنوان فاصله نواحی روشن یا تاریک متوالی تعریف میشود.
برای لایه توربولانس نشان داده شده است.
با بررسیهای هندسی صورت گرفته در برخورد دو پرتو و تشکیل حاشیههای متداخل و همچنین درنظر گرفتن فصل مشترک حاشیه-های دو پرتو، زاویه بین دو پرتو و طول موج پرتوها را با مشخص میکنیم که در تصویر (4) نشان داده شده است. با بیان پارامترهای بالا، میتوان رابطهای هندسی برای فاصله حاشیهها تعریف کرد.
(6)
با توجه به ذرات عبوری از ناحیهای که حواشی برای ما مشخص میشود میتوان اینگونه بیان کرد که شدت پرتوهای منعکسشده با شدت حاشیههای تشکیل شده متناسب خواهد بود. از اینرو دامنه سیگنالهای پیوسته با مقدار فاصله حاشیه نسبت مستقیم و با سرعت عمود بر الگوی حاشیهها نسبت عکس دارد. منظور مولفه سرعت عمودی بر محل تلاقی نیمسازهای دو پرتو تصادمی است. پس فرکانس تعدیل دامنه به صورت زیر تعریف میگردد.
(7)
اکنون با توجه به ماهیت موجی و درنظر گرفتن هندسه و زاویه-های بیان شده ، فرکانس دوپلر برای دو پرتو را خواهیم داشت.
