Tecnica di molecular tagging per la misura di gradienti di temperatura in acetone gassoso rarefatto

From the second half of the XX century the MEMS (micro-electro-mechanical system) technology has been growing exponentially. Nowadays, it is employed in different fields ([6],[5]). In order to support this growth, it is necessary to develop non-invasive experimental methods, by means of which it is possible to measure the properties of gaseous micro-flows. A micro-flow can be characterized by using the Knudsen number Kn, which indicates the rarefaction regime of the flow itself. Usually, a micro-flow belongs to the so-called "slip regime", in which 10^-3 < Kn < 10^-1. In this work, a molecular tagging technique is designed to measure temperature gradients (MTT) in a rarefied gas, which has a Knudsen number comparable to that found in a micro-flow. Molecules of gaseous acetone, confined in a low pressure test chamber, are excited by means of laser pulses at 310 nm. Light signals emitted by the de-excitation of the molecules are collected with a delay of 5 ns. The intensity of the fluorescent light emitted by the tracer is too weak to be detected in a single image, therefore, an acquisition technique called "on-chip integration" is used in order to obtain the images. The temperature gradient is created by exploiting a heating element located on an internal wall of the chamber. Obviously, the temperature gradient produces a density gradient inside the test chamber. Even though the fluorescent signal of the gaseous acetone is not so sensitive to the temperature ([10],[11]), it is possible to exploit its strong dependence on density. In this case, the density is defined as the number of molecules of the tracer per unit volume. The light signal will result weaker in the areas in which the density is low, or where the temperature is high. The application of some simplifications, together with the hypothesis of perfect gas, allows to determine the temperature by knowing the light intensity. The experimental results matched the computational ones and, moreover, the experimental procedure was able to guarantee excellent repeatability and reproducibility. In the future, this experimental technique could be adapted in order to measure the temperature jump that appears in the region near the wall of a micro-flow. A thin non-equilibrium region of the fluid close to the wall, known as Knudsen layer, causes this jump. A possible setup has been proposed in [12], where the MTT is combined with temperature measurements obtained by means of an infrared thermal camera.

Dalla metà del XX secolo, la tecnologia MEMS (micro-electro-mechanical systems) ha subito uno sviluppo esponenziale e, al giorno d'oggi, viene impiegata in diversi campi ([6],[5]). Per sostenere tale crescita, è necessario sviluppare metodi sperimentali non invasivi, che permettano di misurare le proprietà dei micro flussi gassosi. Questi ultimi possono essere caratterizzati usando il numero di Knudsen Kn, dal cui valore è possibile risalire al regime di rarefazione del flusso stesso. Normalmente, i micro flussi si trovano nel cosiddetto "slip regime", per il quale 10^-3 < Kn < 10^-1. In questo lavoro, viene studiata una tecnica di molecular tagging per misurare gradienti di temperatura (MTT) in un gas rarefatto, il quale ha un numero di Knudsen comparabile a quello di un micro flusso. Delle molecole d'acetone gassoso, confinate in una camera di prova a bassa pressione, vengono eccitate con degli impulsi laser a 310 nm e, successivamente, la luce originata dalla de- eccitazione viene raccolta con un ritardo di 5 ns. Il segnale fluorescente emesso dal tracciante è troppo debole per essere visibile in una singola immagine, per- tanto, viene incrementato con una tecnica d'acquisizione d'immagine chiamata "on-chip integration". In camera di prova è presente un gradiente di temperatura, ottenuto grazie a un elemento scaldante posto su una delle pareti interne. Questo gradiente di temperatura produce inevitabilmente un gradiente di densità nella camera. Anche se il segnale fluorescente dell'acetone gassoso non è particolarmente sensibile alla temperatura ([10],[11]), è possibile sfruttare la sua dipendenza dalla densità, de finita come il numero di molecole di tracciante per unità di volume. Il segnale luminoso risulterà più debole nell'area a bassa densità, o alta temperatura, e viceversa. Introducendo alcune semplificazioni, e facendo l'ipotesi di gas perfetto, è stato possibile legare il segnale luminoso alla temperatura. Inoltre, i risultati sperimentali sono in accordo con quelli ottenuti da uno studio computazionale svolto parallelamente. Infine, la procedura sperimentale è stata in grado di garantire un'ottima ripetibilità e riproducibilità. In futuro, con un adattamento della tecnica sperimentale, si potrebbe misurare il "temperature jump" a parete presente in un micro flusso. Questo salto di temperatura è causato da un disequilibrio termodinamico locale che si concentra in un sottile strato di fluido a contatto con la parete, chiamato Knudsen layer. Un possibile setup è proposto in [12], dove la MTT verrebbe combinata con delle misure di temperatura ottenute con una telecamera termica a infrarossi.