Experimental determination of burning velocity in metal dust explosions

The modeling of metal dust explosion phenomenon is important in order to safeguard industries from potential accidents. A key parameter of these models is the burning velocity, which represents the consumption rate of the reactants by the flame front, during the combustion process. This work is focused on the experimental determination of aluminium burning velocity, through an alternative method, called "Direct method". The study of the methods used and the results obtained is preceded by a general analysis on dust explosion phenomenon, flame propagation phenomenon, characteristics of the metals combustion process and standard methods for determining the burning velocity. The “Direct method” requires a flame propagating through a tube recorded by high-speed cameras. Thus, the flame propagation test is carried out inside a vertical prototype made of glass. The study considers two optical technique: the direct visualization of the light emitted by the flame and the Particle Image Velocimetry (PIV) technique. These techniques were used simultaneously and allow the determination of two velocities: the flame propagation velocity and the flow velocity of the unburnt mixture. Since the burning velocity is defined by these two quantities, its direct determination is done by substracting the flow velocity of the fresh mixture from the flame propagation velocity. The results obtained by this direct determination, are approximated by a linear curve and different non-linear curves, which show a fluctuating behaviour of burning velocity. Furthermore, the burning velocity is strongly affected by turbulence. Turbulence intensity can be evaluated from PIV technique data. A comparison between burning velocity and turbulence intensity highlighted that both have a similar trend.

The velocity dispersion profile of the globular cluster 47Tucanae

Gli ammassi globulari rappresentano i laboratori ideali nei quali studiare la dinamica di sistemi ad N-corpi ed i suoi effetti sull’evoluzione stellare. Infatti, gli ammassi globulari sono gli unici sistemi astrofisici che, entro il tempo scala dell’età dell’Universo, sperimentano quasi tutti i processi di dinamica stellare noti. Questo lavoro di tesi si inserisce in un progetto a lungo termine volto a fornire una dettagliata caratterizzazione delle proprietà dinamiche degli ammassi globulari galattici. In questa ricerca, strumenti di fondamentale importanza sono il profilo di dispersione di velocità del sistema e la sua curva di rotazione. Per determinare le componenti radiali di questi profili cinematici in ammassi globulari galattici è necessario misurare la velocità lungo la linea di vista di un ampio campione di stelle membre, a differenti distanze dal centro. Seguendo un approccio multi-strumentale, è possibile campionare l’intera estensione radiale dell’ammasso utilizzando spettrografi multi-oggetto ad alta risoluzione spettrale nelle regioni intermedie/esterne, e spettrografi IFU con ottiche adattive per le regioni centrali (pochi secondi d’arco dal centro). Questo lavoro di tesi è volto a determinare il profilo di dispersione di velocità dell’ammasso globulare 47 Tucanae, campionando un’estensione radiale compresa tra circa 20'' e 13' dal centro. Per questo scopo sono state misurate le velocità radiali di circa un migliaio di stelle nella direzione di 47 Tucanae, utilizzando spettri ad alta risoluzione ottenuti con lo spettrografo multi-oggetto FLAMES montato al Very Large Telescope dell’ESO. Le velocità radiali sono state misurate utilizzando la tecnica di cross-correlazione tra gli spettri osservati e appropriati spettri teorici, e sono state ottenute accuratezze inferiori a 0.5km/s. Il campione così ottenuto (complementare a quello raccolto con strumenti IFU nelle regioni centrali) è fondamentale per costruire il profilo di dispersione di velocità dell’ammasso e la sua eventuale curva di rotazione. Questi dati, combinati col profilo di densità dell’ammasso precedentemente determinato, permetteranno di vincolare opportunamente modelli teorici come quelli di King (1966) o di Wilson (1975), e di arrivare così alla prima solida determinazione dei parametri strutturali e dinamici (raggi di core e di metà massa, tempo di rilassamento, parametro collisionale, etc.) e della massa totale e distribuzione di massa del sistema.