Diagnostica laser per caratterizzazione termo-fluidodinamica

Diagnostica otticaIl Laboratorio Processi per la combustione sostenibile vanta competenze teoriche di eccellenza nel settore della fluidodinamica e chimica della combustione. In tale ambito supporta la competenza teorica con la capacità di sperimentazione basata sullo sviluppo e disponibilità di tecnologie diagnostiche per la caratterizzazione termo-fluidodinamica e chimica dei processi e dei dispositivi.

Le tecnologie sperimentali in oggetto risultano di tipo non invasivo, ovvero non perturbano il sistema in esame, e consentono lo studio e il controllo dei processi di combustione, e più in generale fluidodinamici, nella prospettiva della loro ottimizzazione sia energetica che ambientale. Esse permettono misure ad alta risoluzione, sia spaziale che temporale (frequenza), di velocità, temperatura e specie chimiche, anche in condizioni di combustione turbolenta, tipica dei sistemi industriali.
Le metodologie in oggetto sono basate sull’uso di sorgenti laser, ove non si ricorra direttamente all’analisi della emissione ottica naturale della fiamma stessa, nel visibile e nell’ultravioletto. In virtù della tendenziale portabilità delle tecniche, esse permettono la sperimentazione su facility ENEA o di partner.
La remotizzazione del punto di misura, grazie all’uso di elementi ottici (lenti, specchi, fibre ottiche ecc.), permette di superare problemi di accesso nei sistemi reali. Tuttavia, la necessità di misure ottiche impone il prelevamento del segnale tramite accessi che, in relazione alla tecnica impiegata, possono raggiungere dimensioni minime dell’ordine del mm².
Le esperienze e le capacità sperimentali del Laboratorio nell'ambito delle misure in flussi reagenti possono essere riassunte in tre macro aree fondamentali: termometria, rilevazione di specie chimiche e velocimetria.

Termometria

Appartengono a questa macro area le tecniche di:

  • Diffusione di Rayleigh, basata sulla diffusione di luce da parte della miscela gassosa reagente. È una fenomenologia di tipo elastico, nel senso che l'emissione di luce ha la stessa lunghezza d'onda di quella usata per l'eccitazione della miscela gassosa, e consente di ottenere mappe bidimensionali di temperatura.
  • Diffusione di Raman e CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering), basata sulla diffusione di luce da parte di molecole “bersaglio” all'interno della miscela gassosa. La lunghezza d'onda della luce diffusa è diversa da quella incidente (fenomeno anelastico). La temperatura influenza gli spettri di emissione (Raman e CARS), rendendo possibile una correlazione tra la forma degli spettri e la temperatura delle molecole esaminate. La misura è di tipo puntuale.

Segnale ottico di spettroscopia CARS, in funzione della frequenza (o energia), per la molecola di idrogeno. I segnali sono in corrispondenza biunivoca con la temperatura del gas (riportata in gradi Kelvin) , per questo motivo la tecnica si presta particolarmente a misure termometriche nelle fiamme
Segnale ottico di spettroscopia CARS, in funzione della frequenza (o energia), per la molecola di idrogeno. I segnali sono in corrispondenza biunivoca con la temperatura del gas (riportata in gradi Kelvin) , per questo motivo la tecnica si presta particolarmente a misure termometriche nelle fiamme

Rilevazione di specie chimiche

La concentrazione di specie chimiche è una delle quantità misurabili di interesse fondamentale in  esperimenti di combustione. Sono disponibili i seguenti metodi spettroscopici:

  • Chemiluminescenza, emissione spontanea di luce da parte di molecole reagenti. Può essere dovuta alla presenza di specie radicaliche come OH e CH.
  • LIF (Laser Induced Fluorescence), metodo basato sull'assorbimento di una particolare lunghezza d'onda della luce laser incidente, da parte della molecola in esame, e la sua riemissione a una lunghezza d'onda differente, caratteristica della specie. Possono essere ottenute  immagini bidimensionali dell'emissione di fluorescenza delle principali specie radicaliche OH, CH, C2, CN, NH.
  • Diffusione Raman, tecnica che permette la rilevazione simultanea di più specie chimiche. Per i gas, considerata la limitata energia riemessa dalle molecole, la diffusione Raman risulta efficace solo per le specie dominanti quali azoto, ossigeno, acqua e i principali idrocarburi (metano, etano, propano, butano, acetilene, benzene, ecc.).
  • Metodi non lineari, usati in virtù delle loro potenzialità termometriche. Tra i vari metodi di questa classe, nel laboratorio di spettroscopia laser si effettuano misure di tipo CARS, che prevede l'utilizzo congiunto di tre raggi laser. Altre tecniche sono possibili, quali DFWM (Degenerate Four-Wave Mixing) o PS (Polarization Spectroscopy).

Velocimetria

Il campo di velocità turbolento della miscela reagente influenza fortemente i fenomeni chimici e di trasporto che avvengono durante la combustione. Le misure sono effettuate sulla base della diffusione laser da parte di particelle inseminanti disperse all'interno del fluido, dando così luogo al fenomeno della diffusione di Mie:

  • Anemometria Laser Doppler (LDA), tecnica che determina la velocità di particelle disperse nel fluido al loro passaggio all'interno di un volume di misura identificato dall'incrocio di due raggi laser. Si può risalire alla velocità delle particelle misurando la variazione di frequenza della luce diffusa a causa  dell'effetto Doppler.
  • Phase Doppler Anemometry (PDA), tecnica simile al LDA che fornisce informazioni aggiuntive sulle dimensioni del particelle inseminanti, attraverso la misura della luce riflessa e rifratta dalle particelle stesse.
  • Particle Image Velocimetry (PIV), tecnica che fornisce un campo vettoriale bidimensionale di velocità attraverso la misura dello spostamento di particelle illuminate da una sottile lama di luce laser.

 
A sinistra: immagine di una fiamma turbolenta inseminata con tracciante. La variazione di densità del tracciante è determinata dal fronte di fiamma (le zone a minor densità corrispondono ai reagenti; quelle a maggior densità indicano l’avvenuta combustione). A destra: particolare della zona in riquadro con sovrapposizione tra il campo di velocità (vettori) e quello di concentrazione di una specie chimica (radicale OH) che individua il processo di combustione (falsi colori)
Figura a sinistra: immagine di una fiamma turbolenta inseminata con tracciante. La variazione di densità del tracciante è determinata dal fronte di fiamma (le zone a minor densità corrispondono ai reagenti; quelle a maggior densità indicano l’avvenuta combustione). Figura a destra: particolare della zona in riquadro con sovrapposizione tra il campo di velocità (vettori) e quello di concentrazione di una specie chimica (radicale OH) che individua il processo di combustione (falsi colori)

Vista d'insieme di una camera di combustione in laboratorio e del sistema di laser per la misura di velocità, temperatura e concentrazione di specie chimiche
Vista d'insieme di una camera di combustione in laboratorio e del sistema di laser per la misura di velocità, temperatura e concentrazione di specie chimiche


Referenti:
G. Troiani,
M. Marrocco,