Procesos de intercambio energético en expansiones supersónicasestudio por espectroscopía Raman

Résumé

En esta tesis se presenta una amplia y muy diversa colección de resultados experimentales, conseguidos en el estudio sistemático de expansiones supersónicas mediante espectroscopía Raman de muy alta sensibilidad. El trabajo aquí descrito se ha desarrollado en el laboratorio de Fluidodinámica Molecular del Instituto de Estructura de la Materia, CSIC, que es pionero en la aplicación de esa técnica al análisis de flujos supersónicos. Los resultados muestran la potencia de la espectroscopía Raman para aportar abundante información a escala cuántica sobre diversos aspectos de los procesos de intercambio energético en los flujos supersónico, demostrando que esta técnica es, al menos, tan potente como las técnicas tradicionales de análisis en la fluidodinámica supersónica, y además resulta económicamente muy competitiva respecto a los túneles de viento y tubos de choque empleados habitualmente. Los principales resultados obtenidos se agrupan en cuatro apartados: Zona de silencio: Hemos obtenido una colección de datos de gran precisión de la densidad y la temperatura rotacional (5-180 K) en varias expansiones supersónicas de N2 y CO2, junto con el grado de condensación. Hemos elaborado un mapa de las principales variables del flujo de una expansión de CO2 a P0 = 5 bar en las inmediaciones de la tobera. Relajación rotacional: Hemos obtenido las secciones eficaces de relajación rotacional del N2 y del CO2 a baja temperatura (5-20 K). Con las medidas realizadas se está efectuando un análisis de la relajación rotacional nivel a nivel del N2. Procesos de condensación: Hemos realizado un estudio de la condensación en función de las magnitudes del flujo, determinando los calores de condensación liberados en un conjunto de expansiones de N2 y CO2 y su efecto sobre la velocidad del flujo. Hemos desarrollado un modelo original de crecimiento de los agregados creados en la expansión, basado en medidas de scattering Rayleigh y Raman, que permite seguir el crecimiento de los agregados y las fases cristalinas que adoptan. Ondas de choque: Hemos conseguido una colección de datos de gran precisión de densidad y temperatura rotacional en discos de Mach de distintas expansiones de N2, que comprende tanto la región de la onda de choque como la estela posterior a ésta. La evolución de las poblaciones rotacionales en la onda de choque obedece a una distribución bimodal, observada por primera vez en gases moleculares. En la estela de la onda de choque hemos encontrado evidencias de la posible formación de vórtices. Nuestras medidas están sirviendo para la validación de modelos y cálculos numéricos del flujo, llevados a cabo en el Instituto de Modelado Matemático de la Academia de Ciencias de Rusia.