La velocimetría de marcado molecular ( MTV ) es una forma específica de velocimetría de flujo , una técnica para determinar la velocidad de las corrientes en fluidos como el aire y el agua. [1] En su forma más simple, un solo rayo láser de "escritura" se dispara una vez a través del espacio muestral. A lo largo de su trayectoria se inicia un proceso químico inducido ópticamente , que da como resultado la creación de una nueva especie química o el cambio del estado energético interno de una existente, de modo que las moléculas impactadas por el rayo láser se puedan distinguir del resto del fluido. . Se dice que tales moléculas están "marcadas".
Esta línea de moléculas marcadas ahora es transportada por el flujo de fluido. Para obtener información sobre la velocidad, se obtienen y analizan imágenes en dos instancias en el tiempo (a menudo mediante la correlación de las intensidades de la imagen) para determinar el desplazamiento. Si el flujo es tridimensional o turbulento, la línea no solo se desplazará, también se deformará.
Descripción
Hay tres formas ópticas a través de las cuales se pueden visualizar estas moléculas etiquetadas: fluorescencia , fosforescencia y fluorescencia inducida por láser (LIF). En los tres casos, las moléculas se relajan a un estado más bajo y su exceso de energía se libera en forma de fotones . En la fluorescencia, esta disminución de energía se produce rápidamente (dentro de s para s a presión atmosférica ), lo que hace que la fluorescencia "directa" no sea práctica para el etiquetado. En la fosforescencia, la desintegración es más lenta, porque la transición está prohibida por la mecánica cuántica .
En algunos esquemas de "escritura", la molécula etiquetada termina en un estado excitado . Si la molécula se relaja a través de la fosforescencia, con una duración suficiente para ver el desplazamiento de la línea, esto se puede usar para rastrear la línea escrita y no se necesita ningún paso de visualización adicional. Si durante el marcado la molécula no alcanzó un estado de fosforescencia, o se relajó antes de que la molécula fuera "leída", se necesita un segundo paso. A continuación, la molécula marcada se excita utilizando un segundo rayo láser, empleando una longitud de onda tal que excita específicamente la molécula marcada. La molécula emitirá fluorescencia y esta fluorescencia se captura mediante una cámara. Esta forma de visualización se denomina fluorescencia inducida por láser (LIF).
Las técnicas ópticas se utilizan con frecuencia en la velocimetría de fluidos moderna, pero la mayoría son de naturaleza opto-mecánica. Las técnicas opto-mecánicas no se basan únicamente en la fotónica para las mediciones de flujo, sino que requieren una siembra de tamaño macro. Los ejemplos más conocidos y más utilizados son la velocimetría de imágenes de partículas (PIV) y la velocimetría láser Doppler (LDV). Dentro del campo de las técnicas totalmente ópticas podemos distinguir técnicas análogas pero que utilizan trazadores moleculares. En los esquemas Doppler , la luz se dispersa casi elásticamente de las moléculas y la velocidad de las moléculas transmite un cambio Doppler a la frecuencia de la luz dispersa . En las técnicas de marcado molecular, como en PIV, la velocimetría se basa en visualizar los desplazamientos del trazador.
Esquemas
Se ha demostrado que las técnicas MTV permiten medir velocidades en entornos inhóspitos, como motores a reacción , llamas, recipientes de alta presión, donde es difícil que funcionen técnicas como Pitot , velocimetría de hilo caliente y PIV. El campo de MTV es bastante joven; la primera demostración de implementación surgió en la década de 1980 y el número de esquemas desarrollados e investigados para su uso en el aire es todavía bastante pequeño. Estos esquemas difieren en la molécula que se crea, si es necesario sembrar el flujo con moléculas extrañas y qué longitud de onda de luz se está utilizando.
Los estudios de mecánica de fluidos más completos se han realizado utilizando el esquema RELIEF y el esquema APART. Ambas técnicas se pueden utilizar en aire ambiente sin necesidad de siembra adicional. En RELIEF, el oxígeno excitado se utiliza como marcador. El método aprovecha las propiedades de la mecánica cuántica que prohíben la relajación de la molécula, por lo que el oxígeno excitado tiene una vida relativamente larga.
APART se basa en la "fotosíntesis" del óxido nítrico . Dado que el NO es una molécula estable, los patrones escritos con él pueden, en principio, seguirse casi indefinidamente.
Otra técnica bien desarrollada y ampliamente documentada que ofrece una precisión extremadamente alta es la velocimetría de marcado con hidroxilo (HTV). Se basa en la foto-disociación del vapor de agua seguida de la visualización del radical OH resultante usando LIF. El HTV se ha demostrado con éxito en muchas condiciones de prueba que van desde flujos de temperatura del aire ambiente hasta flujos de Mach 2 dentro de una cavidad.
Ver también
Referencias
- ^ Koochesfahani, Manoochehr (1999). "Velocimetría de etiquetado molecular (MTV) - Avances y aplicaciones". 30º Congreso de Dinámica de Fluidos . CiteSeerX 10.1.1.456.1991 . doi : 10.2514 / 6.1999-3786 .
Otras lecturas
- Elenbaas, Thijs (2005). Escribir líneas en aire turbulento usando Air Photolysis y Recombination Tracking (PDF) . Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven. ISBN 978-90-386-2401-3.
- CP Gendrich; MM Koochesfahani; DG Nocera (1997). "Velocimetría de marcado molecular y otras aplicaciones novedosas de una nueva supramolécula fosforescente". Experimentos en fluidos . 23 (5): 361–372. doi : 10.1007 / s003480050123 .
- B. Hiller; RA Booman; C. Hassa; RK Hanson (1984). "Visualización de la velocidad en flujos de gas mediante fosforescencia de biacetilo inducida por láser" . Revisión de instrumentos científicos . 55 (12): 1964–1967. Código bibliográfico : 1984RScI ... 55.1964H . doi : 10.1063 / 1.1137687 . Archivado desde el original el 23 de febrero de 2013.
- RB Miles; J. Grinstead; RH Kohl; G. Diskin (2000). "La técnica de etiquetado de flujo RELIEF y su aplicación en instalaciones de prueba de motores y para estudios de mezcla de aire y helio" (PDF) . Ciencia y Tecnología de la Medición . 11 (9): 1272-1281. Código Bibliográfico : 2000MeScT..11.1272M . doi : 10.1088 / 0957-0233 / 11/9/304 . Archivado desde el original (PDF) el 23 de noviembre de 2003.
- AT Popovich; RL Hummel (1967). "Un nuevo método para la medición de flujo turbulento sin perturbaciones muy cerca de una pared". Ciencias de la Ingeniería Química . 22 : 21-25. doi : 10.1016 / 0009-2509 (67) 80100-3 .
- LA Ribarov; JA Wehrmeyer; RW Pitz; RA Yetter (2002). "Velocimetría de marcado de hidroxilo (HTV) en flujos de aire experimentales" (PDF) . Física Aplicada B . 74 (2): 175-183. Código bibliográfico : 2002ApPhB..74..175R . doi : 10.1007 / s003400100777 . Archivado desde el original (PDF) el 27 de noviembre de 2003.