Microchorros fluidos fuera del equilibrio...Enfriamiento rotacional N 2, 313 µm nozzle P 0 = 2 bar,...

X Curso Iniciación a la Investigación en IEM, 20 marzo 2013José Ma. Fernández, Instituto de Estructura de la Materia

Microchorros fluidos

fuera del equilibrio

José Mª Fernández

Laboratorio de Fluidodinámica Molecular

Instituto de Estructura de la Materia, CSIC


Grupo de Fluidodinámica Molecular

� Salvador Montero

� José Mª Fernández

� Guzmán Tejeda

� Elena Moreno

� Francisco Gámez


P0=0.6 barT0=45 K

P0=8 barT0=17 K

Trayectorias en el diagrama de fases H2


Chorros supersónicos. Generalidades

M<<1M>>1 M<1


Chorros supersónicos. Zona de silencio

100 1000z (µm)

1x100

1x101

1x102

1x103

1x104

n (1

022

m-3

)

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2800

2900

3000

v (m

/s)

2.55 bar

1.28 bar

v

n

0 500 1000 1500 2000z (µm)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Tem

pera

ture

/

K

ortho-H2

para-H2

ortho-H2

para-H2

Rotational

Translational

1.28 bar

2.55 bar

•Se rompe el equilibrio TD: Ttras ≠Trot ≠ Tvib•El chorro supersónico es un sistema dinámico, condicionado por la cinética de colisiones: congelación Trot


Microchorros líquidos subenfriados


Microchorros líquidos subenfriados

• Tobera < 10 micras

• Líquido presurizado (5-20 bar)

• Se enfrían por evaporación superficial (en vacío)

• Densidad ~ constante

• Fluctuaciones de Rayleigh: rotura en gotas -> líquido


Efecto Raman

Scattering

inelástico

de luz


Efecto Raman

| f >

| i >ν

E=0

νi incidente

Scattering a

νi (Rayleigh) yνi+νR (Raman)

νR νi−νf


Espectroscopía Raman. Propiedades

�Universalidad (todas las especies moleculares dan espectro Raman)

�Relación lineal entre intensidad espectral y densidad molecular

�Rango espectral de ~1 a 6000 cm-1

�Rango dinámico de intensidades >106

�Alta resolución espacial (unas pocas micras)

Limitaciones

�Debilidad intrínseca del efecto Raman

�Resolución espectral modesta (~0,1 cm-1)

Ventajas


Raman spectroscopy in gas jets. Geometry


Montaje experimentalTurbopump

Roots Rotary

Spectrometer

Chamber

Las

er

CC

D 1

CC

D 2

Compressor Ortho-para H 2

Converter

n-H 2 p-H

2

Optical table

Raman signal

Gate valveP r

P 0

1 m

z

y


Montaje experimental


Montaje experimental

• Movemos la tobera para muestrear el chorro

• Resolución espacial: 1 µm

• Resolución temporal:

� Gas: v ~ 1000 m/s => 1 ns

� Líquido v ~ 100 m/s.=> 10 ns


¿Qué podemos hacer con espectroscopía Raman en chorros de fluidos?

� espectros de moléculas frías

� espectros de moléculas calientes

� mapas de temperaturas en chorros de gases

� mapas de densidades en chorros de gases

� transferencia de energía en colisiones

� agregación molecular

� solidificación de líquidos subenfriados


Espectroscopía Raman a baja temperatura

1320 1370 1420 1470 1520 1570 1620

Wavenumber (cm-1)

0

1

2

3

Inte

nsi

ty (

cps)

C2H6, ν11T=295 KP=10 kPa

T=23 K

J. M. Fernández and S. Montero, J. Chem. Phys. 118, 2657 (2003)


Espectroscopía Raman de llamas

3400 3450 3500 3550 3600 3650 3700

Raman shift (cm-1)

Ram

an in

tens

ity (ar

bitrar

y un

its)

b) Calculated

a) Observed H2O a 2000 K

llama de CH4/aire

Avila et al., J. Mol. Spectrosc. 228, 38 (2004)


Mapa de temperatura rotacional

Maté et al., J. Fluid Mech. 426, 177 (2001)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

z/Re

0

5

10

15

20

25

30

35

r/R

e

Nozzle

e

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

0

5

10

15

20

25

30

35

(c)

(d)

Experimental

Calculated

e

z/Re

00

5

0

5

0

0.321.28 1.12 0.96 0.80 0.64 0.48 0.16 0.00

CO2

P0=2 bar

D=313 µm


Enfriamiento rotacional

N2, 313 µm nozzle

P0= 2 bar, T0=297 K

Fonfría et al., J. Chem. Phys.

127, 134305 (2007)

• Seguimiento de la evolución temporal de las poblaciones rotacionales

• Constantes de velocidad nivel-a-nivel de relajación rotacional


• Enfriar 20 K > T > 14 K (liq.)

• Catalizador magnético

• Desarrollado para licuar el H2

durante la carrera espacial

• Una vez convertido, el para-H2

se conserva durante días (!) a

temperatura ambiente

• Conversiones máximas:

– 99,99% para-H2 a 15 K

– 98,4% orto-D2 a 19 K

020

040

060

080

0

E (

cm−1

)

para-H2

I=0orto-H2

I=1

J=1

J=3

J=2

J=0 118,5 cm−1

170,5 K

Conversión orto<->para-H2


Agregados pequeños de para-H2

4156 4158 4160 4162

Wavenumber (cm-1)

0

2

40

2

40

2

40

2

412345678N=13

Ra

ma

n in

ten

sity

z =10D

t =546 ns

Ti =0.6 K ×5

z =5D

t =290 ns

Ti =1.7 K

×5

z =3D

t =186 ns

Ti =3.2 K

×5

z =1D

t =75 ns

Ti =12.8 K

×5

p-H2

P0=1 bar

Tobera: D= 50 µm

T0=46.5 K

Tejeda et al., Phys. Rev. Lett.

92, 223401 (2004)


Microchorros de para-H2 líquido

Kühnel, Fernández, Tejeda, Kalinin, Montero, Grisenti, Phys. Rev. Lett. 106, 245301 (2011)


Conclusiones

El laboratorio de Fluidodinámica Molecular del IEM ofreceunas posibilidades excelentes de formación en físicamolecular experimental, con un marcado carácterinterdisciplinar, en problemas relevantes de la físicamolecular actual.

Posibles temas de trabajo

• colisiones de moléculas de interés astrofísico o atmosférico (+ He, H2..)

• cinética de condensación y estructura de agregados moleculares pequeños de (H2, H2O, O2, CO, etc)

• cristalización (¿o no?) de microchorros de agua subenfriada

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