Tentamen Fysische Meetmethoden, Vrijdag 5 Oktober

Tentamen Fysische Meetmethoden, Vrijdag 5 Oktober 2007 14:00-17:00
Vraag 1
Aan een waterstroming rondom een object worden twee soorten tracerdeeltjes toegevoegd. De diameter
van de deeltjes bedragen respectievelijk 4 micrometer en 200 micrometer en de dichtheid van de deeltjes
is circa 25 keer hoger dan die van water
a) Wat is de verhouding van de responstijden van beide deeltjes. Onderbouw dat in formulevorm via
de bijbehorende krachten balans.
De 4 micrometer deeltjes worden vervolgens gebruikt om met een Laser Doppler Anemometry (LDA)opstelling snelheden te meten.
b) Leg uit waarom een LDA-opstelling altijd met twee lichtstralen werkt.
De fotomultiplier wordt tussen de laser en het meetgebied geplaatst.
c) Leid een relatie af tussen de snelheid van de bewegende deeltjes in het vloeistofveld en de
frekwentie van het te meten signaal.
De 200 micrometer deeltjes worden gebruikt om via Liquid Crystal Thermometry temperaturen te meten.
d) Bepaal de uitzaksnelheid van deze deeltjes (neem hierbij aan dat voor water geldt dat de
kinematische viscositeit gelijk is aan 10-6 m/s)
Vraag 2
In een windtunnel worden turbulentiemetingen uitgevoerd. Het Reynoldsgetal voor de gemiddelde
stroming wordt op twee manieren ingesteld, met een meetflens en een met een ultrageluidprobe.
a) Leg in formulevorm uit hoe een meetflens werkt, wat de probleempunten zijn en waarom het te
meten drukverschil een factor 2,5 hoger is dan bij een meettuit.
b) Leg uit hoe je met ultrageluid luchtstroom snelheden kunt meten. Hoe wordt de methode
temperatuur onafhankelijk gemaakt?
De locale luchtsnelheden worden gemeten met een pitot-buis (statisch) en met een hete draad anemometer
(dynamisch).
c) Bespreek de werking en de probleempunten van een pitot-buis.
d) Geef een goede schets (zoveel mogelijk in formulevorm) hoe een hete draad anemometer werkt
en waarom je er snelheidsvariaties mee kunt meten tot 20 kHz.
Vraag 3
Beschouw een 2D waterstroming in een gesloten domein van 10x10 cm. De kleinste structuren in de
stroming hebben een typische grootte van 8 mm en een typische snelheid van 1 cm/s; voor de grootste
structuren is dit respectievelijk 30 mm en 2 cm/s. Het snelheidsveld wordt bepaald m.b.v. PIV. Hiertoe
wordt een camera met een resolutie van 1000x1000 pixels gebruikt die het domein volledig in beeld heeft.
a) Schets de basislaboratoriumopstelling voor snelheidsmetingen m.b.v. PIV. Benoem daarbij de
componenten en omschrijf kort hun functie.
b) Beschrijf het PIV-algoritme waarmee de snelheid bepaald wordt uit de meetdata.
c) Geef een schatting voor de grootte van het kleine interrogatie-gebied benodigd voor een
duidelijke resolutie van alle stromingsfenomenen.
d) Gegeven 16 pixels en 32 pixels als grootte van het kleine en grote interrogatie-gebied. Geef een
schatting voor de minimale en maximale opname-frekwenties van de camera om een betrouwbare
snelheidsbepaling met het PIV-algoritme te kunnen waarborgen.
e) Stel men zou alternatief de meetdata van bovengenoemde PIV-metingen met een PTV-algoritme
willen verwerken. Zou dit kunnen? Motiveer het antwoord.
Vraag 4
Een laserbundel treft op een glazen plaatje (brekingsindex n; dikte d; evenwijdige oppervlakken) onder
een hoek α1 met de normaal van het oppervlak (zie schets). De bundel ondergaat breking onder een hoek
α2 met genoemde normaal.
a) Toon aan dat de uitredende en intredende bundels parallel lopen aan elkaar.
b) Leidt een relatie af voor de verplaatsing p in termen van α1, n en d.
c) Bereken p voor α1 = 45o, n = 1.5 en d = 15 mm.
d
α1
α2
p
n
Een toepassing van bovenstaand fenomeen is het verkrijgen van een traverserende lasersheet door het
glazen plaatje te laten roteren en de uitredende bundel via lenzen in een lasersheet om te zetten. Hiermee
worden temperatuurmetingen m.b.v. LIF uitgevoerd in een reeks dwarsdoorsnedes van een 3D stroming.
d) Leidt een constante omwentelingssnelheid ook tot een constante traverseringssnelheid? Motiveer
het antwoord.
e) Beschrijf het werkingsprincipe van LIF en geef de relatie waarmee de temperatuur wordt bepaald.