Research Project on Applying Doppler Effect Principles to Emergency Response of Nuclear Incidents 

Executive Summary  

During my internship I did at National Aerosol Facility at IIT Kanpur in Aug‐Sep 2019, I understood Doppler 

effect in details, performed a lab experiment for a droplet coming out of an orifice to measure its velocity 

under  various  pressures  to  understand  Doppler  effect  and  did  a  basic  projectile  range  analysis.  My 

research topic was – Applying Doppler Effect Principles to Emergency Response of Nuclear Incidents. 

The internship involved multiple visits of couple of days to IIT Kanpur. During first visit, I understood the 

devices application and working principle.  

During next visit, I conducted 4‐5 experiments at multiple flow rates of water and measured the water 

velocity  using  the  devices.  I  also  analyzed  to  see  how  far  the  liquid  droplets  will  go  if  injected  as  a 

projectile. This experiment, although done at very low pressures and only on a droplet, can serve as proof 

of concept for estimating high‐pressure nuclear reactor accidents and helps the scientists estimate on 

how many villages near to the accident site need to be evacuated on immediate basis. 

P a g e  | 1 

 

Table of Contents 

Understanding the Doppler Effect & its Usage        2‐4 

Understanding Doppler Effect          2 

Devices at Lab in IIT             2 

o Monosize Droplet Generator MDG        2 

o Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA)        3 

o Principle of Doppler Frequency Signal Generation    3 

Experiments                4‐9 

Trial Experiments on MDG          4 

Doppler Effect Experiments          6 

Outreach of droplet projectile range         8 

o Basic Physics of Projectile Motion        8 

o Analyzing Impact of Nuclear Incident        9 

Conclusion and Way Forward            10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P a g e  | 2 

 

A. Understanding the Doppler Effect & its Usage 

Understanding Doppler Effect‐ 

Doppler Effect  is the shift  in frequency of  light when there  is relative motion between the source and 

observer. It is used to measure the speed of a receding object. When the source is moving away from the 

observer then the wave fronts have to travel a greater distance to reach the observer. As an example , 

when a  star  is moving away  from the earth  the wavelength  in  the middle of  the visible  region of  the 

spectrum moves towards the red end of the spectrum. As a result star looks more reddish when moves 

away from the earth. This is known as red shift phenomenon. Similarly, when the waves are received from 

a source moving towards the observer, there is an apparent decrease in wavelength. This is called blue 

shift. The fractional change in frequency (Δν/ν) = (–vradial/c), Where vradial= component of the source 

velocity along the line joining the observer to the source; c is velocity of light.  

Devices at Lab in IIT:  

Monosize Droplet Generator (MDG)‐ 

MDG produces droplets stream of uniform size for calibration of PDPA (Phase Doppler particle analyzer). 

Many studies e.g. in nuclear reactors, atomization and many atmospheric as well as aerospace problem 

statements require known uniform size drops and MDG is ideal device for these purposes. 

MDG works on principle of applying periodic excitation to a reservoir, which is giving a laminar jet. When 

periodic excitation is properly adjusted to resonant frequency, the jet breaks up into uniform drops.  The 

diameter  of  mono  size  droplets  will  also  depends  on  discharge  of  water  from  syringe  pump.  Few 

experiments  has  been  done,  shown  in  experiment  section  B  of  this  report,  to  verify  the  relation  of 

excitation frequency, flow rate and outlet diameter.  

D=  /  

 

 

 

  

Fig 1: Principle of MDG 

 

 

 

 

 

Schematic diagram of MDG 

a) Orifice                                     b) Frequency generator                      c) Syringe pump Fig 2: Components of MDG 

P a g e  | 3 

 

Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA)‐ 

Phase Doppler Particle Analyzer, measures the velocity of small particles, ranging from 0.5 μm to 500 μm, 

that are moving in the field of interest. The physical principle used to measure the particle velocities is 

scattering of light by the particle and Doppler Effect. Intersection of Laser, wavelength 561 nm each with 

40MHz difference, has been used to obtain fringes, which is measuring volume for PDPA. The droplet will 

pass through measuring volume.  As a particle moves through the measuring volume, it scatters light. This 

phenomenon results in a fluctuating pattern of scattered light intensity with a frequency proportional to 

particle velocity. This scattered light will be collected by Receiver, which will further analyses frequency 

shift in measuring volume as particle passes through it. The relation between frequency shift and velocity 

is u=fD  f  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Principle of Doppler Frequency Signal Generation: 

At the crossing point of two laser beams, an interference pattern is actually created by the coherence of 

laser light source. This fringe pattern provides the necessary light pattern to illuminate the particles and 

is reason behind creation of Doppler frequency signal. 

 

 

 

 

 

 

 

 

The scattered light is collected and transmitted from Receiver to the photo multiple tubes through optical 

fibers. 

a) Laser controller                                                                     b) Receiver 

Fig 3: PDPA component 

Fig 4: Fringe Pattern

P a g e  | 4 

 

 

 

 

 

 

B. Experiments 

Trial Experiments on MDG: 

Experiments have been performed on MDG to observe  the effect of  frequency on generated droplet; 

further droplets of MDG have been verified by photography method. 

Flow rate(ml/hr)  Frequency (KHz)  Diameter (μm) 

66  7.43  167 

66  8.62  160 

66  9.34  155 

66  10.67  148 

66  12.44  141 

66  19.52  121 

      

 

 

 

 

 

 

Fig 5: Schematic diagram of 

experiment 

Table1: Frequency and flow rate for the 50 μm orifice diameter 

P a g e  | 5 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig6: Droplet photography at 66 ml/hrs, 19.52 KHz for the 50 μm orifice diameter. Red Shows Diameter 

of droplet and blue shows distance two two successive droplet center 

P a g e  | 6 

 

Doppler Effect Experiments – 

I conducted five experiments with different flow rates to measure the velocity of water droplets. As flow 

rate  changes, pressure at mouth of orifice will  change, which will  impart  force on  generated droplet. 

Because of forces, initial velocity of droplet will change. Pressure inside reservoirs can be calculated using 

Bernoulli’s equation.  We adjusted the Laser Doppler Velocimeter (LDV) and Receiver to get the right data 

rate  (number of valid data taken per second) and when  it was achieved, we measured the velocity of 

droplet. Details of experiments are below‐ 

1. At 81.25 ml/ hr flow‐ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. At 97.5 ml/hr flow 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P a g e  | 7 

 

3. At 113ml/hr flow 

 

4. At 130 ml/hr flow 

 

 

 

 

P a g e  | 8 

 

 

5. At 145 ml/hr flow 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The velocities and droplet diameters measured in these experiments are summarized in tables below‐ 

 

Flow rate ml/hr  Diameter of droplet  (micron) 

Velocity of droplet  (m/s) 

RMS/sd  of Velocity (m/s) 

81.25  150.5  4.25  0.2533 

97.5  147.6  5.17  0.3251 

113  144.4  6.36  0.3317 

130  136.6  7.86  0.4988 

145  143.20  8.32  0.3519 

Table 2:  Velocity – Mean and Std Deviation (sd) of droplets 

 

C. Outreach of velocity droplet projectile range – 

Physics of Projectile Motion 

Projectile motion is a form of motion where an object moves in a bilaterally symmetrical, parabolic 

path. The path that the object follows is called its trajectory. Projectile motion only occurs when there 

P a g e  | 9 

 

is  one  force  applied  at  the beginning  on  the  trajectory,  after which  the only  interference  is  from 

gravity. 

Range of Projectile‐  

R=u2⋅sin2θ/ g 

Moreover, the largest range will be experienced at a launch angle up to 45 degrees 

Analyzing Impact of Nuclear Incident:‐ 

In our scenario, the range for various scenarios worked out by me is given below‐ 

Flow Rate ( ml/hr) 

Velocity of Droplet m/s 

Std Dev ofVelocity  m/s 

Range (u2 sin2 θ /g)

 m 

81.25  4.25  0.253  1.843 

97.5  5.17  0.325  2.727 

113  6.36  0.332  4.128 

130  7.86  0.499  6.304 

145  8.32  0.352  7.064 

Table 3: Range of Area to be evacuated post nuclear incident. 

This analysis is simple and assumes a 100‐micron crack and water droplet are behaving as an aerosol 

of water – steam – radioactive elements. In reality, the scenario shall be very different and my analysis 

can be further build up for studies at real conditions using a simulation software with aerosol analysis 

capabilities to see impact of nuclear incident, decide the area to be defined as target area for  low 

population zone and plan for evacuation of low population area. 

 

Fig 6: Picture depicting Emergency Plan Area  

 

 

Emergency Plan Area 

Plant Boundary 

P a g e  | 10 

 

 

D. Conclusion and Way Forward 

Overall, my research at IIT was quite eventful. I got hands on opportunity to research and developed a 

proof of concept. This concept if worked in details by working scientists can be helpful in understanding 

the nuclear incident affected areas and can be handy in emergency response planning subsequent to a 

nuclear incident.