background image

LASER DOPPLER 

ANEMOMETRY

 

PRASHANT SATTURWAR

17

th

 Dec. 2004

background image

INTRODUCTION 

Invented by Yeh and Cummins in 1964

Laser Doppler Anemometry (LDA) is a single 
point optical measuring technique which 
enables the velocity of the seeded particle 
~0.5 - 5 microns (in air) or 1~20 microns (in 
water) in a non-intrusive manner. 

It determines the local velocity of the fluid 
by analysing the Doppler i.e. equivalent 
frequency of the laser light scattered by the 
seeded particles with the flow.

background image

Characteristics of LDA

No calibration required 

Very high accuracy 

Velocity range 0 to supersonic

Up to 3 velocity components

Measurement distance from centimeters to 
meters

Non-intrusive measurements (optical technique)

Instantaneous and time averaged

Tracer particles are required

Can be used in flows of unknown direction

High spatial and temporal resolution

 

background image

Principle

The basic configuration of an LDA consists of :

Continuous wave laser, 

Transmitting optics, including a beam splitter 
and a focusing lens, 

Receiving optics, comprising a focusing lens, 
an interference filtre and a photodetector, 

A signal conditioner and a signal processor

background image

LDA PRINCIPLE 

background image

Velocity = distance/time

Flow with particles

d (known)

t (measured)

Signal

Time

Laser

Bragg

Cell

backscattered light

measuring volume

Detector

Processor

background image

Types of LDA

Single-component dual-beam LDA system 
in forward scatter mode

Single-component dual-beam LDA system 
in back scatter mode 

Single-component dual-beam LDA system 
in side  scatter mode

Two or three one-component systems

Reference beam systems (single laser 
beam to illuminate particles in the flow)

Phase Doppler anemometer (PDAs) is an 
extension of the laser Doppler 
anemometer that usually uses two 
receiving lenses and photodetectors

background image

System configurations

Forward scatter
and side scatter
(off-axis)

  Difficult to 

align,

  Vibration            

                                
                                
                                
              sensitive

Backscatter

  Easy to align

  User friendly

Receiving optics

with 

detector

Transmitting

optics

Flow

Rec

eiv

ing

 op

tics

wit

h D

ete

cto

r

Flow

Laser

Bragg

cell

Detector

Transmitting 

and receiving 

optics

background image

Two- and three-component 

measurements

To measure two velocity components, two extra 
beams can be added to the optics in a plane 
perpendicular to the first beams.

All three velocity components can be measured 
by two separate probes measuring two and one 
components. Different wavelengths are 
required to separate the measured components. 
Three photo-detectors with appropriate 
interference filtres are used to detect scattered 
light of the three wavelengths.

background image

LDA optics for measuring three 

velocity components

  

 

                                                                              

background image

Schematic of the three-dimensional 

LDA system

 

 

  

 

                                                          

                   

Sch

background image

Applications of LDA

Laminar and turbulent flows

Investigations on aerodynamics

Supersonic flows

High speed particle size measurements

Surface velocity and vibration measurement

Hot environments (flames, plasma etc.)

Velocity of particles

Biomedical application examples

Blood cell velocity

Zeta potential / Surface charge 

Investigation of Vasomotion by laser Doppler 

anemometry

Accurate measurement of prosthetic heart valves 

(PHVs) flow field

background image

Measurement of zeta 

potential 

Laser beams are aligned at the 

     stationary layer in the cell 

At the crossing point of the beams, 

     Young's interference fringes of 
     known spacing are formed 

Particles moving through the fringes 

     under the influence of the applied 
     electric field scatter light whose
      intensity fluctuates with a frequency 
     that is related to the particles velocity 

Photons detected are input to a digital 

      correlator 

A frequency spectrum is produced from 

     which the mobility and hence zeta potential 

     are calculated

background image

Disadvantages

 

Among the disadvantages of LDAs are 

Expense (typically $40,000 for a simple 
system)

The need for a transparent flow through 
which the light beams can pass (Concentration 
of seeded particle should be less) 

They do not give continuous velocity signals

background image

Application examples

Measurements on wing / engine section of airbus

Research into wing geometries

measurements in transonic turbo machinery

Windshield velocity distribution measurements

Flowfield analysis in reation zones of wood stoves

Spherical couette flow experiment

Measurements around a ship model   

Measurement of mixing processes

Precipitation quality of stirred tank 
precipitators

5-beam filberflow probe 3D measurements

Acoustic particle velocity measurements using LDA

  

Phase-triggered 3-D Laser Doppler Anemometry

 


Document Outline