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ANALISI DI STRUTTURE DI SPRAY IN CAMERE DI COMBUSTIONE

Aldo CogheDipartimento di Energia

Corso di Dottorato congiunto Polimi-Federico II Anacapri: 5-9 Ottobre 2009

2

Spray Diagnostics – A.Coghe

Indice della presentazione

1. Introduzione2. Iniezione di combustibili liquidi3. Modalità di iniezione4. Dinamica degli spray5. Grandezze misurabili6. Tecniche di misura7. Banchi prova8. Visualizzazioni9. Diagnostiche ottiche (laser)10.Applicazioni11.Conclusioni

3


Introduzione

Prestazioni dei M.C.I. (TG, Motori alternativi)massimizzare la potenzaminimizzare le emissioni inquinanti ridurre il consumo (CO2)

Iniezione del combustibile (liquido o gassoso)

Formazione dello sprayatomizzazione

Dinamica dello spraypenetrazione/angolo mescolamento (entrainment) interazione spray/aria interazione spray/parete

Evaporazione dello spray

Combustione dello spray

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Perchè “liquidi” ?

Pro :

Massima densità di energia

Minori volumi

Ampia disponibilità (?)

Contro :

Complessa preparazione della miscela

Atomizzazione

Dispersione in camera di combustione

Evaporazione

Combustione

Iniezione combustibili liquidi

5


Sistemi d’iniezione

I sistemi di iniezione evolvono continuamente, ma sono riconducibili a tre tipologie:

� Iniettori assistiti ad aria (TG, Bruciatori industriali)

� Iniettori a pressione a singolo foro e/o multiforo (Motori Diesel)

� Iniettori a swirl (TG, GDI, Bruciatori industriali)

L’iniettore deve essere progettato per produrre

� Elevata velocità relativa liquido/aria (per favorire l’atomizzazione, tramite elevate pressioni di iniezione o altri meccanismi)

� Caratteristiche geometriche dello spray (angolo, penetrazione, ..) compatibili con la camera di combustione

� “Buona” distribuzione granulometrica delle gocce (SMD ≤ 25-30 µm e DV90 ≤ 50 µm)

� Iniezione continua o pulsata (TG o Motori Alternativi)

6


Iniettori assistiti ad aria

J. Karnawat Æ A. Kushari, Exp Fluids (2006) 41:649–663

F. Zhao, M.-C. Laia, D.L. Harringtonb, Progress in Energy and Combustion Science 25 (1999) 437–562

Trovano vasto impiego per la loro flessibilità, ma richiedono la doppia alimentazione: aria /liquido

7


Iniettori a swirl

E. Canepa, et al., Journal of Engineeringfor Gas Turbines and Power, Vol. 128 (2006) 29-39

F. Zhao, M.-C. Laia, D.L. Harringtonb, Progress in Energy and Combustion Science 25 (1999) 437–562

Double swirler leanpremixingprevaporizing

iniettore aria

liquido

8


Iniettori Diesel

Iniettori tecnicamente complessi per le elevate pressioni (fino a 300 MPa) e le esigenze di controllo

Iniettori multiforo

Piezo-iniettore

9


Atomizzazione

L’iniettore deve favorire la rottura del getto liquido in piccole gocce per accelerare i processi di:

� Mescolamento con l’aria

� Evaporazione rapida

� Combustione in regime diffusivo e/o premiscelato

Quanto piccole le gocce ?

Quanto dispersa la p.d.f. ?

Gocce “piccole” mescolamento “rapido”

Gocce “grandi” mescolamento “lento”

Tempo di rilassamento delle gocce ricavabile da legge di Stokes

f

2pp

p 18

D

µρ

=τ ( )Tff µ=µfp

fp

2p

p /

UU

d18U

ρρ−ν−=

dtd

10


Caratteristiche degli Spray

Spray: sistema multifase

Gocce

diametri tra 1 e 100 µmvelocità tra 0 e 300 m/stemperature tra ambiente e qualche 102 K

Vaporevapore + gas ambiente + prodotti di combustionevelocità tra 0 e 10 m/stemperatura tra ambiente e 103 K

Scale

lunghezze ∼ 10-2 mtempi ∼ 10-3 s

11


La distribuzione dei diametri di uno spray è caratterizzabile con un solo parametro: SMD (Sauter Mean Diameter) o D32

Granulometria

J. Karnawat, A. Kushari, Exp Fluids (2006) 41:649–663

( )

( )∫

∫∞

∞

=

0

2

0

3

32

dDDND

dDDND

DTipica funzione di distribuzione dei diametri

( )

( )

N

DD

dDDN

dDDDN

D

N

1i

10

0

010

∑

∫

∫

=

== ∞

∞

Media aritmetica

12


L’ottimizzazione dell’iniezione di combustibili liquidi richiedeun’accurata conoscenza della dinamica dello spray e del processodi formazione della miscela.

Limitazioni attuali:

� scarse capacità predittive dei codici CFD per fluidi bifase,

� difficoltà intrinseche nell’applicare le più moderne tecniche laser in spray densi (le elevate concentrazioni delle gocce rendono poco penetrabili le regioni più interne degli spray: near field e core).

Nota: nel caso degli spray non stazionari ci si concentra prevalentemente sull’analisi della penetrazione in funzione del tempo, “facilmente” ricavabile da visualizzazioni fotografiche. Questo approccio è troppo rudimentale e non garantisce una descrizione dettagliata della dinamica dello spray.

Dinamica dello spray

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Le condizioni iniziali delle gocce (velocità e dimensioni) costituiscono un’informazione fondamentale, ma difficile da ottenere sperimentalmente.

Molti dei processi fondamentali dell’atomizzazione e della dinamica delle gocce (breakup, drag, collisioni, coalescenza) si completano prima che le misure siano possibili, e ciò rende difficile convalidare i modelli più sofisticati.

Possibili approcci:

� Modellare il flusso (bifase) all’interno dell’iniettore

� Utilizzare le informazioni sulla struttura dello spray e la sua interazione con l’ambiente per convalidare i modelli dell’evoluzione dello spray.

Nota: La penetrazione e l’angolo iniziale dello spray sono i parametri più facilmente misurabili in spray densi (Diesel e GDI)

Modellistica degli spray

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La regione interna di uno spray è difficilmente osservabile con tecniche ottiche perchè la trasmissività della radiazione luminosa è ridotta a causa dell’elevata concentrazione delle gocce

Spray densi

( )( ) ( ) dxKdxc

I

Iln

L

0

L

0

extvt

0 ∫ ∫+λε=

λλ

( ) ( ) ( )

−

λε−λ=λ ∫∫

L

0

ext

L

0

v0t dxKexpdxcexpIILegge di Beer-Lambert

Estinzione

15


Andamento dell’estinzione di un fascio luminoso che attraversa unospray Diesel in assenza di evaporazione, in funzione del tempo eper diverse distanze, z, dall’iniettore.

Estinzione

time (ms)

Inte

nsity

(I/I

o)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Z

Z = 0 37.5 mm

Araneo L., Brunello G., Coghe A. ,Cossali G.E., SAE Paper No. 1999-01-0525

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La penetrazione è un parametro integrale che non obbedisce ad una legge universale. La sua misura viene utilizzata per “tarare” i codici delle simulazioni CFD per ciascuna tipologia di spray non-stazionari e determinare, a posteriori, il diametro iniziale delle gocce.

Penetrazione (1/3)

Satoru Sasaki, Hisashi Akagawa and Kinji Tsujimura, SAE Paper No. 980805

17


Penetrazione (2/3)

0.0 0.5 1.0 1.50

10

20

30

40

50

60 ztip (mm) ρ=1.17 kg/m3

ρ=2.31 kg/m3

ρ=4.62 kg/m3

ρ=6.93 kg/m3

ρ=7.0 kg/m3

ρ=12.0 kg/m3

ρ=20.0 kg/m3

ρ=30.0 kg/m3

ρ=40.0 kg/m3

Time ASI (ms)

La penetrazione di uno spray dipende fortemente dalla densità del gas nella camera di combustione, quindi dalla fase del ciclo a cui si avvia e si completa l’iniezione.

18


Penetrazione (3/3)

( ) α−ρρ=η

lg0z /Dc

z

In assenza di evaporazione, l’utilizzo di opportune grandezze adimensionali fa collassare tutte le curve su due linee asintotiche: η = τ near field; η = τ1/2 far field

0.01 0.1 1 10 1000.01

0.1

1

10

τNS

η NS=τNS

1/2η NS=τNSη NS1200 rpm (HS)

ρ (kg/m3)

1.17

2.31

4.62

6.93

12.0

20.0

30.0

40.0

500 rpm (LS)

ρ (kg3)

1.17

2.31

4.62

6.93

7.0

12.0

20.0

30.0

40.0

( ) β−ρρ=τ

lg0t

0

/Dc

tU

Naber and Sieber, SAE 960034Araneo L. et al., SAE 1999-01-0525

I coefficienti cz, ct, α e β vanno ricavati per interpolazione dei dati sperimentali e dipendono dal tipo di iniettore e dalla legge di iniezione.

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La formazione della miscela combustibile è un processo complessoe difficile da analizzare, teoricamente e sperimentalmente.

Esiste una stretta interdipendenza tra getto liquido, moto dell’aria e geometria della camera di combustione

Formazione della miscela

El-Mahallawy F. and El-Din Habik S., “Fundamentals and Technology of Combustion”, Elsevier, 2002

20


Interazione spray & gasPuò essere studiata con tecniche ottiche, anche in condizioni non stazionarie, misurando il campo di moto del gas e delle diverse classi dimensionali di gocce.

Esempio: spray GDI (hollow-cone). Misure ottenute tramite LDV e PIV

Araneo L., Coghe A., Brunello G., Dondè R., SAE Paper No. 2000-01-1901

G. Rottenkolber, et al., University of Karlsruhe, D-76128 Germany

21


Entrainment (1/5)

r = 10mm

Z

AIRVELOCITY

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5case 1

z=2.5 mm z=7.5 mm z=12.5 mm z=17.5 mm z=22.5 mm z=27.5 mm z=32.5 mm z=37.5 mm z=42.5 mm z=47.5 mm

Vr (

m/s

)time (ms)

La misura del campo di moto del gas nell’intorno dello spray consente di valutare la diluizione con l’aria ambiente e la formazione della miscela combustibile.

In getti assialsimmetrici stazionari la diluizione, in massa, cresce linearmente con la distanza dall’iniettore:

D

zK

m

mm ee

e

2/1

00

0

=+

ρρ Ke = cost.

22


Entrainment (2/5)

Negli spray Diesel non stazionari Ke non è costante e l’entrainment non è funzione lineare della distanza.

81.0

o

e

5.1

0

o

o

e

D

zz B

m

m

ρρ

+≅

Coghe A., Cossali G.E., Araneo L., THIESEL 2000

L’analisi di molti dati sperimentali suggerisce la seguente correlazione

in regime isotermo

23


Entrainment (3/5)

La misura del campo di moto del gas è ottenibile con strumentazione LDV/PDA o PIV.

Esempio di applicazione della tecnica PIV alla misura del campo di moto nell’intorno di uno spray Diesel.

ρgas = 40 kg/m3ρgas = 7 kg/m3


24


Entrainment (4/5)

Il confronto dei risultati della portata di entrainment (misurata con LDV) con quelli delle visualizzazioni con Laser Sheet (LSV) ha rivelato una sensibile differenza tra il volume istantaneo dello spray e quello di aria aspirata attraverso la superficie laterale. Questo si può spiegare con l’inglobamento di aria nel fronte dello spray durante la sua penetrazione

0 10

10

20

30

40 6 kg/m3, LDV

6 kg/m3, photo 20 kg/m3, LDV 20 kg/m3, photo

Time (ms)


La differenza è infatti marcata nel transitorio iniziale della propagazione dello spray.

Cossali G.E., Coghe A., Araneo L., AIAA J., 39 (6) (2001) 1113-1122

25


Informazioni molto dettagliate sono oggi ottenibili impiegando la tecnica PIV per l’analisi sperimentale della interazione gas-superficie liquida del getto (local gas entrainment).

Entrainment (5/5)

Satoru Sasaki, Hisashi Akagawa and Kinji Tsujimura, SAE PAPER No. 980805

Diesel spray

26


Grandezze misurabili

Principali grandezze misurabili in uno spray (in assenza di combustione):

� Morfologia (angolo, volume, penetrazione, struttura fine,…)

� Campo di moto (medio e istantaneo, delle gocce e del gas ambiente)

� Dimensioni delle gocce (valori medi e p.d.f.)

� Frazione liquido/vapore(grado di evaporazione)

� Rapporto aria/combustibile

(puntuale e istantaneo)

Araneo L., Coghe A., Brunello G., Dondè R., SAE Paper No. 2000-01-1901

27


Tecniche sperimentali

Principali tecniche ottiche impiegabili in uno spray (in assenza di combustione):

� Visualizzazioni (Shadow, Schlieren, Mie scattering, LSV,…)

� Assorbimento/estinzione

� Velocimetria laser (LDV, PIV, …)

� Granulometria laser (PDV, Diffrazione, Estinzione, Polarizzazione,….)

� Misure di composizione: vapore/liquido (Schlieren, LIF,…)

Immagine Schlieren di uno spray GDI (multi-hole injector) in fase di evaporazione

28


Banchi prova (1/3)

G. Rottenkolber, et al., University of Karlsruhe, D-76128 Germany

� Motori accessibili otticamente (monocilindri sperimentali)� Camere a volume costante contenenti gas a pressione e temperatura

variabile

quartz window

mirror

Optically accessible DAF diesel engine (by R.J.H. Klein-Douwel)

29


Banchi prova (2/3)

Una camera a volume costante permette un maggiore accesso ottico e facilita l’utilizzo delle diagnostiche laser più sofisticate.

B. Bougie, Appl. Phys. B 80, (2005), pp.1039-1045

30


Esempio di camera a volume costante in grado di simularecondizioni motoristiche.

Pressione: 1 – 10 bar

Temperatura: 300 - 500 K

Banchi prova (3/3)

31


La tecnica shadow viene comunemente utilizzata per visualizzare il contorno dello spray e consente di definirne accuratamente l’angolo e la penetrazione.

La differenza di densità tra il liquido ed il gas produce una differenza dell’indice di rifrazione e quindi del cammino ottico di un fascio di luce collimato: l’immagine dello spray appare come un’ombra.

Immagini Shadow

light source

colimatinglens

object (spray in this case)

image relay optics

display

32


La tecnica di visualizzazione Schlieren è basate su questo principio:

Immagini Schlieren (1/2)

the spray is like a strange lens imposinga new pattern in the light

the background (dc offset) rays focus in axis, because they are at zero spatial frequency, and imagerays focus off-axis

the classic Schlieren knife edgeremoves background but alsopart of the image (can also use a maskwith a dot)

33


Immagini Schlieren di uno spray (benzina) in condizioni evaporative.

Le visualizzazioni Shadow e Schlieren sono relativamente semplici ma non forniscono dati quantitativi ed integrano su tutto il cammino ottico del fascio attraverso lo spray.

Iniettore GDI multiforo

Immagini Schlieren (2/2)

34


L’evaporazione può essere studiata qualitativamente con diverse tecniche: Shadow, Schlieren e LES (Laser Elastic Scattering).

Evaporazione (1/3)

B. Bougie et al., Appl. Phys. B 80, 1039–1045 (2005)

Diesel spray 0.4 ms after SOI

Vaporizing (right column)

Non-vaporizing (left column)

Tempo di esposizione = 100 ns

Condizioni:

Pgas = 4MPa,

Pfuel = 100MPa

Differenze chiaramente visibili ma difficilmente quantificabili.

35


Due immagini simultanee della diffusione elastica (Mie scattering) e dellafluorescenza possono essere utilizzate per visualizzare le gocce liquide edil vapore di uno stesso spray. Alternativamente si può visualizzare la fluorescenza emessa da composti aggiunti al combustibile, che emettono a a λ diverse in fase liquida o di vapore.

Evaporazione (2/3)

La fluorescenza è stimolata da un fascio laser nel vicino UV e si manifesta a λ più spostate verso il rosso.

Due filtri ottici permettono di separare le emissioni fluorescenti dalla diffusione elastica delle gocce alla lunghezza d’onda del laser.

H. Zhao and N. Ladommatos, Prog. Energy CombusL Sci. Vol. 24, pp. 297-336, 1998

36


Evaporazione (3/3)

Sistema ottico per misure LIF-PLIEF (Planar Laser Induced Exciplex Fluorescence)

Da queste immagini è possibile ricavare il rapporto di equivalenza della miscela

H. Zhao and N. Ladommatos, Prog. Energy CombusL Sci. Vol. 24, pp. 297-336, 1998

37


2D-detector

Imaginglens

Flame

Cylindrical lens

Laser beam

Un fascio laser è compresso in un piano di luce che illumina una specifica sezione dello spray.

Una matrice 2-D di sensori (CCD camera) riprende l’immagine prodotta dalla diffusione della luce da parte delle gocce dello spray (Mie scattering).Ottima risoluzione temporale: Laser ∼ 10 nsCamera ∼ 0.1 µs

Visualizzazioni bidimensionali

38


L’immagine di una sorgente puntiforme (goccia) non appare tale nel piano immagine della camera, ma forma una figura di diffrazione (Airy disk), anche se ottenuta con una lente perfetta, esente da aberrazioni.

Valore limite dovuto alla diffrazione:

( ) 1Mf 44.2d Ndiff λ+=

Risoluzione dell’immagine

L’immagine di una goccia è data dalla convoluzione dell’ Airy disk e dell’immagine geometrica della goccia:

( ) 22diffpi dMdd +=

M = z0/Z0 image magnification

Il diametro effettivo è maggiore di quello reale e indipendente dalla dimensione della goccia per dp < 10 µµµµmSolo per dp > 50 µµµµm la dimensione dell’immagine corrisponde al diametro geometrico.

39


Consente di ricavare dati quantitativi (campo di moto 2-D) da due immagini fotografiche registrate in rapida sequenza

Utilizza particelle traccianti e ne misura lo spostamento nel piano illuminato da una lama di luce laser, in un intervallo temporale finito.

Particle Image Velocimetry (PIV)

t

xVx ∆

∆=

t

yVy ∆

∆=

2y

2x VVV += Due successivi impulsi laser generano due immagini da

cui si ricava lo spostamento delle particelle.

40


IA, interrogation area

∆Z0 light-sheet thickness

M = z0/Z0 image magnification

Depth of field: the region in which the image is “acceptably” sharp

Object plane

( ) λ+=δ 2N

2z fM/114

LN D/ff =

Ottica PIV

41


Un algoritmo numerico (2-D cross-correlation) opera come una traslazione di un’area di interrogazione della prima immagine IA1 nella corrispondente della seconda immagine IA2 e permette di identificare lo spostamento ottimale che realizza la “perfetta” sovrapposizione delle particelle presenti nelle due immagini.

( ) ( ) ( )∑∑= =

++⋅=ΦM

1i

N

1j21 nj,migj,ign,m

• •

• •

• •

• • •

• •

•

IA1 IA2

Tra i due impulsi del laser:

Le particelle blu si sono mosse fuori della IA

Le particelle rosse sono entrate nella IA

First frame Second frame

Particle Image Velocimetry (PIV)

42


La separazione delle due fasi, gas e gocce, è ottenibile utilizzando traccianti fluorescenti nel gas. Un filtro ottico separa il segnale fluorescente da quello di diffusione elastica (Mie scattering) prodotto dalle gocce.

G. Rottenkolber et al., Spray analysis of a gasoline direct injector by means of simultaneous two phase PIV

Spray flow Gas flow

Applicazione PIV agli spray

43


PIV in fase evaporativa

La tecnica PIV consente l’analisi dell’entrainment di gas lungo la superficie laterale dello spray anche in condizioni evaporative, pur se con minore risoluzione in prossimità della testa del getto.

Iniettore Diesel a 6 fori

Le misure sono possibili solo da un lato dello spray perché dalla parte opposta la lama di luce laser risulta fortemente attenuata (estinzione).

Dong-Ryul Rhim and Patrick V. Farrell, sae Paper2002-02P-204

44


Due telecamere poste ad un certoangolo formano un sistema PIV stereoscopico che, sempre con illuminazione a singola lama di luce, consente di valutare anche la terza componente di velocità.

I vettori 3-D vengono ricostruitidalle proiezioni delle due mappe 2-D misurate nel piano della lama di luce.

Laser sheet

Displacement angle

Stereoscopic view angle

Measured velocityat right camera

True velocity

Measured velocityat left camera

Sistema PIV 3-D

45


Impiega:

Un Laser speciale ad elevata frequenza di ripetizione del doppio impulso (10 kHz)

Camera CMOS ad elevato frame rate (∼ 2 kHz)

Memoria RAM dedicata (∼ 4 GB)

Non ancora adeguato a misure di spray non stazionari !

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850pix

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

pix

Vector map: Filtered, 41×39 vectors (1599), 547 rejectedBurst#; rec#: 1; 1 (1), Date: 01/01/1970, Time: 01.00.00.000Analog inputs: 0.000; 0.000; 0.000; 0.000

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850pix

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

pix

Vector map: Filtered, 41×39 vectors (1599), 686 rejectedBurst#; rec#: 1; 1 (1), Date: 01/01/1970, Time: 01.00.00.000Analog inputs : 0.000; 0.000; 0.000; 0.000

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850pix

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

pix

Vector map: Filtered, 41×39 vectors (1599), 289 rejectedBurst#; rec#: 1; 1 (1), Date: 01/01/1970, Time: 01.00.00.000Analog inputs : 0.000; 0.000; 0.000; 0.000 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800pix

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

pix

Statistics vector map: Vector Statistics, 39×39 vectors (1521)Size: 640×640 (190,0)

PIV time-resolved

Esempio: getto gassoso con swirl

Sono mostrate tre immagini successive con ∆t ∼ 1 ms

La quarta immagine è la media di 200 immagini istantanee

La successione delle tre immagini indica chiaramente la presenza di una tipica instabilità generata dal moto azimutale: la precessione del vortice

1 2

3

46


Una goccia illuminata da due fasci laser, provenienti dalla stessa sorgente, diffonde la radiazione nello spazio e genera frange di interferenza sulla superficie di un fotorivelatore con frequenza (Doppler) proporzionale alla velocità della particella.

Inci

dent

bea

ms

Detector 1

Detector 2

t

LDV-PDV: principio base

Due rivelatori distinti registrano lo stesso segnale, ma con una differenza di fase (ritardo temporale) proporzionale al diametro della goccia (se omogenea e sferica).

Uno strumento basato su questi due fenomeni consente la misura simultanea di velocità e diametro di ogni singola goccia di uno spray.

47


Negli strumenti LDV le frange di interferenza vengono generate nella regione d’incrocio di due fasci laser (volume di misura) attraversata dalle particelle traccianti (in aria) o dalle gocce dello spray.

s

Uf xD ∆

=Ux

∆sθθθθ

P

)2/(sinU2

f xD θ

λ=

t

Doppler signal

Una particella che attraversa le frange modulal’intensità della luce diffusa ad una frequenzauguale alla velocità della particella divisa per la distanza tra due frange contigue

frequenza Doppler

( )2/2 θλ

sins =∆

Laser Doppler Velocimetry (LDV)

48


Lo schema precedente è detto Velocimetro differenziale e presenta il vantaggio di una grande semplicità e robustezza del sistema ottico. Inoltre, la frequenza Doppler risulta indipendente dall’angolo di osservazione e consente una configurazione con rivelatore posto a 180° (back-scatter).

pinholeUx

Lens

θθθθ

PD

)2/sin(U2

f xD θ

λ=

Velocimetro differenziale

Un filtro spaziale (pinhole) ed una lente garantiscono che solo la radiazione diffusa dalla particella venga ricevuta dal ricevitore, riducendo quindi il rumore dovuto a luminosità ambientale o riflessi.

Il modo differenziale assicura anche una migliore risoluzione spaziale della misura.

49


Length Width Height=δ

θπ

λ=δ

2sinDE

F4

L

zL

y DE

F4

πλ=δ

θπ

λ=δ

2cosDE

F4

L

x

Il volume di misura è un ellissoide generato dalla sovrapposizione dei due fasci laser nella loro regione focale. La distribuzione di intensità luminosa è Gaussiananelle 3 direzioni. Le dimensioni geometriche sono definite dai punti a 1/e2 dell’intensità massima.

Measurementvolume

0 1/e 2

δδδδz

δδδδx

δδδδy X

Z

Y

F

θθθθDL

Y

Transmittingsystem

Volume di misura

Dantec Dynamics documentation

50


I sistemi LDV – PDV risolvono direzione e verso del vettore velocità, individuati dall’orientamento nello spazio delle frange e dalla loro velocità di scorrimento ottenuta mediante una cella di Bragg (frequency shift).

Uno shift in frequenza di un fascio laser rispetto all’altro produce uno scorrimento delle frange a frequenza fissata e la velocità viene così misurata in un sistema di riferimento in moto in direzione e con velocità note.

Velocità positive producono fD > fs, quelle negative fD < fs

fmax

fshift

fmin

f

UUmin Umax

Umin Umax no shift shift

fshiftParticle

fDoppler

+U

-U

Risoluzione direzionale

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Laser Braggcell

Coloursplitter

PM

PM

Fibre manipulators

Single mode polarisationpreserving fibres

Flow

Back scattered light

Multimodefibre

Interferencefilters

Coloursplitter

Single modefibres

Misure simultanee di due componenti della velocità sono possibili con un sistema laser (Argon-Ion) a due colori e due fotoricevitori con filtri appropriati.

La misura della terza componente richiede un secondo velocimetro 1-D.


Configurazione 2-D in back scatter

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La diffusione non è uniforme in tutte le direzioni e dipende da: indice di rifrazione (relativo al mezzo), polarizzazione e curvatura della superficie della goccia.

L’angolo di deflessione dipende dalla legge di Snell.

La fase dipende dal camminoottico all’interno della goccia.

Ad angoli particolari prevale una tipologia di diffusione:

A 30°- 70° 1°rifrazione

B 80°- 110° riflessione

C 135°- 150° 2°rifrazione

Medium

Partrel n

nn =

La diffusione di radiazione da parte di una goccia avviene per: riflessione, trasmissione o rifrazione (singola o multipla)

Diffusione di luce


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X

Y

ϕϕϕϕ

Detector 1

Detector 2

Scattering plane

Flow

Zθθθθ

ψψψψ

ψψψψ

Definizioniθ cross angleϕ scattering angleψ elevation angle

Il diametro della goccia è ricavato dalla differenza di fase dei segnali ricevuti da due fotoricevitori posti ad angoli diversi

La velocità della particellaviene ricavata dalla frequenza Doppler misurata da un solo fotoricevitore

( ) DfU22 /sin θ

λ=

Schema ottico LDV - PDV


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Se la riflessione è il modo dominante

( )ϕψθψθ

λπ

φcoscoscos

sinsin

−=

12

2 pd

Se la rifrazione è il modo dominante

( ) ( )( )ϕψθ+−+ϕψθ+

ψθλ

π−=φ

coscoscos12nn1coscoscos12

sinsinnd2

r2r

rp

In entrambi I casi la differenza di fase varia linearmente col diametro della goccia e dipende solo dalla geometria del sistema ottico (angoli) e dall’indice di rifrazione della goccia (solo per la rifrazione).

Non è necessaria alcuna calibrazione!

Relazione fase – diametro (1/2)

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Esiste un’ambiguità dovuta alla peridicità della fase (2π) che può essere risolta con l’impiego di tre fotoricevitori. Si ottiene:

� Migliore risoluzione nella misura dei diametri

� Maggiore “range dinamico” dello strumento� Riconoscimento delle gocce non sferiche (da scartare)

dmax

ΦΦΦΦ

ΦΦΦΦ1-2

ΦΦΦΦ1-3

360°

0d

dmeas.

ΦΦΦΦ 1-2 ΦΦΦΦ 1-3

ψψψψ

ϕϕϕϕ

Detector 1

Detector 3

Detector 2

Relazione fase – diametro (2/2)

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Il sistema ottico di trasmissione dei fasci laser è identico a quello del sistema LDV.

I sistemi di ricezione commerciali utilizzano tre fotoricevitoriintegrati in un’unica ottica a grande apertura.

Configurazione del sistema PDV

U1

U2

U3

A B C

Una maschera con tre aperture, una per ciascun fotoricevitore, definisce gli angoli di osservazione.

Le diverse maschere permettono di selezionare il “range” di misura dei diametri.

A small size rangeB medium size rangeC large size range


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La diffusione elastica di luce da parte di particelle di dimensioni maggiori del micron (Mie scattering) è caratterizzata da una intensità che cresce con D2. Pertanto in uno spray le gocce grandi sono più “visibili” da un sistema ottico di quelle più piccole.

Mie Scattering

Intensità della diffusione in avanti con angolo di 2° rispetto alla direzione di incidenza.

Gocce di uno spray

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Araneo L, Tropea C., SAE Paper 2000-01-2047, 2000

0 2 4 6 8 10 120

50

100

150

200

250

Axi

al v

eloc

ity (

m/s

)

Time (ms)

Il grafico mostra l’andamento temporale delle velocità di singole gocce, misurate sull’asse dello spray, in prossimità dell’ugello.

E’ solo un campione statistico, ma significativo della dinamica dello spray.

Applicazione LDV in spray

Spray DieselSingola iniezione

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Araneo L. et al., ICOLAD 2005

Influenza dell’apertura del filtro spaziale nell’ottica di ricezione di un sistema PDV.

Andamento della velocità delle gocce in funzione del tempo a 40 mm dall’iniettore, 1 mm fuori asse.

Pinj = 500 bar, Pg = 7 bar (air), durata iniezione = 2 ms.

Applicazione PDV in spray

Sensibilità delle misure anche a minime variazioni dei parametri del sistema ottico

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Araneo et al., SAE Paper 2000-01-1901

Effetto della pressione in camera sulla distribuzione radiale dei diametri medi delle gocce (D10) a 30 mm dall’ugello

Si osservano sensibili variazioni dei diametri per effetto della pressione e della temperatura in camera.

Misure riferite ad un preciso intervallo temporale ∆t = 1 – 1.5 ms a partire dall’avvio dell’iniezione.

Applicazione PDV in spray GDI (1/2)

Pressure swirl atomizer

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Applicazione PDV in spray GDI (2/2)

Diametro di Sauter misurato con PDV al variare della pressioni di iniezione:

D32 diminuisce al crescere dell’angolo dello spray e della pressione di iniezione.

GDI swirl injector

F. Zhaoa, M.-C. Laia, D.L. Harringtonb, Progress in Energy and Combustion Science 25 (1999) 437–562

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Conclusioni

Negli ultimi anni si è osservata una rapida crescita, per numero e tipologia, delle tecniche laser utilizzate per la diagnostica dei processi di combustione nei motori a combustione interna.

In particolare si è assistito allo sviluppo di nuove e più sofisticate tecniche ottiche applicate allo studio del processo di formazione della miscela combustibile.

Questo processo è molto importante perché controlla le successive fasi di combustione e di formazione delle emissioni inquinanti.

La varietà delle diagnostiche proposte ed impiegate rende molto difficile una loro descrizione dettagliata ed esauriente, in quanto richiederebbe una approfondita conoscenza dei fenomeni fisici che controllano l’interazione radiazione – materia, oltre a nozioni di ottica, elettronica, statistica, etc…

Questa presentazione non ha quindi la pretesa di essere esaustiva, ma ha inteso presentare sinteticamente alcuni problemi e mostrare i potenziali risultati ottenibili con le tecniche moderne.

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