Mapeamento dois em um de temperatura e fluxo em torno de plumas convectivas em microescala

Pesquisadores da Universidade Metropolitana de Tóquio criaram uma maneira de medir os perfis de temperatura e velocidade de fluidos em uma pluma convectiva em escalas de comprimento milimétrico em 3D. Eles combinaram imagens de absorção no infravermelho próximo e processamento de imagens para separar o movimento de partículas traçadoras de instantâneos de como a luz é absorvida, produzindo um mapa suave de velocidade e temperatura.

A tecnologia, relatada no Jornal de Visualizaçãopromete novos insights sobre a otimização do design de dispositivos de microaquecimento e resfriamento.

Mapas precisos de como o calor e a matéria fluem na microescala são vitais para o design de dispositivos de microaquecimento e resfriamento. Um exemplo clássico é em microprocessadores resfriados a líquido, onde o fluxo afetará diretamente a eficiência com que o calor é levado para longe dos chips.

Ao longo dos anos, isso levou a uma ampla gama de técnicas projetadas para mapear fluxo e temperatura; por exemplo, o rastreamento de vídeo de pequenas partículas “traçadoras” pode produzir um mapa de fluxo preciso. Mas, embora existam métodos para mapear diferentes quantidades separadamente, os cientistas ainda estão procurando a melhor maneira de realizar o mapeamento de várias quantidades de uma vez, especialmente em três dimensões.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Metropolitana de Tóquio liderada pelo Professor Naoto Kakuta tem estudado o uso de imagens de infravermelho próximo para capturar mapas de temperatura em corpos de fluido. A absorção de luz pela água no infravermelho próximo (NIR) depende da temperatura. Ao mapear o quanto é absorvido em diferentes partes de uma amostra com várias câmeras NIR, eles podem criar um mapa de temperatura 3D preciso.

Em trabalhos anteriores, eles conseguiram aplicar isso para visualizar pequenas plumas convectivas, onde o aquecimento de uma porção microscópica de um volume de fluido cria um fluxo circulatório vertical.

Mas enquanto a temperatura podia ser mapeada, não era possível mapear o perfil de fluxo ao mesmo tempo. Esta é uma desvantagem significativa, uma vez que os fluxos convectivos apresentam um acoplamento complexo entre o transporte de calor e o fluxo. Mas simplesmente adicionar partículas traçadoras e aplicar métodos existentes exigiria iluminação adicional por LEDs ou lasers de alta potência.

A equipe já havia notado que partículas traçadoras introduzidas no mesmo fluido projetavam uma sombra contra a iluminação NIR usada para criar o mapa de temperatura. O trabalho preliminar ajudou a fazer mapas bidimensionais simplesmente observando como as sombras se moviam.

Agora, eles conseguiram criar mapas totalmente 3D usando o mesmo sistema de duas câmeras usado para suas imagens NIR. Ao manipular as imagens, eles puderam separar as sombras do perfil de absorção, usando os mesmos dados para extrair um mapa 3D do fluxo e da temperatura.

Aplicado às mesmas plumas microscópicas, a equipe mapeou com sucesso não apenas a variação de temperatura ao redor de sua pequena fonte de calor, mas também o perfil de fluxo. Eles também confirmaram uma correspondência próxima entre seus mapas e os perfis de calor e velocidade esperados de simulações numéricas.

Seu novo e simples método promete fornecer insights sobre a formação de plumas convectivas em microescala e como elas podem impactar o desempenho de dispositivos de última geração.