Disciplina de investigación

 Plasmas térmicos. Arcos de alta presión. Antorchas de plasma.
Los plasmas térmicos fueron empleados industrialmente desde la década de los 50, y su interés ha crecido sustancialmente en los últimos 20 años. Aplicaciones típicas de esta tecnología incluyen el procesado de materiales (tratamientos térmicos, producción de partes cerámicas, síntesis de compuestos como dióxido de Titanio) así como otras varias aplicaciones metalúrgicas. En los últimos años, los plasmas térmicos han sido también utilizados para el tratamiento de residuos y otros materiales nocivos desde el punto de vista ambiental, como residuos hospitalarios, destrucción de materiales tóxicos y otros.
 Estos plasmas térmicos (llamados así porque se producen en un medio de densidad lo suficientemente alta como para que haya equipartición de la energía entre las partículas constituyentes) se generan comúnmente por medio de descargas eléctricas (descargas d-c, de radiofrecuencia o microondas), y dado que en muchas aplicaciones se emplea una geometría coaxial de electrodos, y la descarga es “soplada” con un gas a alta presión (para constreñir la descarga y proporcionar un blindaje térmico a los electrodos), el plasma resultante adquiere la forma de una antorcha (o soplete de muy alta temperatura). Por este motivo, estos dispositivos se denominan “antorchas de plasma”, o “plasma torches”.
 Comúnmente, el desarrollo de antorchas de plasma se lleva a cabo empíricamente, lo que implica costos elevados y largos tiempos de desarrollo para la construcción, testeo y modificaciones sucesivas del dispositivo. Una herramienta auxiliar muy importante para el desarrollo de una antorcha es la simulación del jet de plasma utilizando modelos matemáticos y diferentes códigos numéricos. Este enfoque no sólo reduce el tiempo de desarrollo de una antorcha, sino que ayuda a la comprensión de los fenómenos físicos básicos involucrados en la operación de dicha antorcha, tanto en la región de la descarga (arco) como en el jet de plasma. De esta manera se obtienen criterios de optimización de la antorcha (al variar los parámetros del dispositivo) y también indicaciones sobre el montaje de diagnósticas experimentales, lo cual es muy valioso ya que las mediciones en estos plasmas (por su geometría y por la temperatura alcanzada) son extremadamente complejas.
 Las constantes mejoras de los últimos años en computadoras personales de bajo costo (tanto en velocidad de procesamiento como en capacidad de almacenamiento de datos) han revalorizado notablemente el modelado numérico de las antorchas, lo que se refleja en la presencia de una cantidad muy considerable de publicaciones modernas en revistas internacionales especializadas, comoJournal of Physics D: Applied Physics,IEEE Transactions on Plasma Science,Plasma Sources, Science & Technology,Journal of Applied Physics, y otras. El desarrollo de estos códigos numéricos ha a su vez estimulado notablemente la realización de experimentos modernos de mediciones sistemáticas del plasma en estos dispositivos, principalmente orientados a la validación de los modelos teóricos. Esta validación permite a su vez predecir el comportamiento de la antorcha bajo diferentes condiciones de operación, y una prueba del interés que concita esta metodología de trabajo es que pueden observarse trabajos conjuntos entre científicos de centros de investigación y profesionales de la industria aplicada.
 Con referencia a la situación en nuestro país, puede afirmarse que, a la fecha, no existe ningún otro grupo científico dentro de la física del plasma que trabaje en el tema de antorchas, aún cuando existen algunos grupos de investigación con experiencia en experimentos con arcos (“vacuum arcs”) y en experimentos con descargas.

Objetivos

1) Formación de recursos humanos con experiencia en el diseño, construcción y optimización
    de antorchas de plasma.
2) Desarrollo y optimización de antorchas de plasma al nivel de investigación en la modalidad
    de arco transferido.
3) Formación de recursos humanos especializados en Física del Plasma, con capacidad de
    implementación de códigos numéricos apropiados para la física de las antorchas.
4) Implementación de diversas técnicas de diagnóstico para el estudio experimental de los
    plasmas producidos.

Dictado de cursos, conferencias, seminarios

1. Charla divulgativa sobre las actividades de investigación del Grupo de Descargas Eléctricas
    UTN Facultad Regional Venado Tuerto. UTN Facultad Regional Venado Tuerto, noviembre de
    2007.
2. Exposición sobre las actividades de investigación del Grupo de Descargas Eléctricas UTN
    Facultad Regional Venado Tuerto. II Jornada Regional de Difusión de Investigaciones
    Tecnológicas. UTN Facultad Regional Concepción del Uruguay, octubre de 2007.

Proyectos de investigación

Universidad Tecnológica nacional
1. PID UTN 25/Z012 Caracterización experimental y simulación numérica de antorchas de
    plasma para el corte de metales. 2008-2010. Dirección: Dr. Héctor Kelly.
2. PID UTN Z 0007 Estudio experimental y caracterización de arcos de plasma de alta presión.
    2005-2007. Dirección: Dr. Héctor Kelly.
Proyectos de Investigación externos
1. CONICET PIP 5378 Física Básica y Aplicaciones de Descargas Eléctricas. Dirección: Dr.
    Héctor Kelly. 2006-2008.
2. UBA X 111 Desarrollo experimental, caracterización y optimización de arcos de plasma,
    2004-2006. Dirección: Dr. Héctor Kelly.
3. UBA X 106 Teoría de arcos de plasma, 2004-2006. Dirección: Dr. Fernando Minotti.
4. CONICET PIP 02239 Estructura Plasma-Gas neutro generada en Arcos Eléctricos de baja
    Presión. Estudio experimental y Modelización (2002-2005).Dirección: Dr. Héctor Kelly.
5. UBA X 214: La Estructura Plasma Gas Neutro Generada en Arcos Eléctricos de Baja
    Presión: Estudio Experimental y Modelización Numérica. Agosto 2002 a marzo 2004.
    Dirección: Héctor Kelly.

Publicaciones en revistas con referato

1. On the dynamics of the space-charge layer inside the nozzle of a cutting torch and its relation with the
    "non-destructive" double-arcing phenomenon, L. Prevosto, H. Kelly and B. Mancinelli. Journal of Applied
    Physics (accepted, September 2011).
2. Departures from local thermodynamic equilibrium in cutting arc plasmas derived from electron and
    gas density measurements using a two-wavelength quantitative schlieren technique, L. Prevosto, G.
    Artana,H. Kelly and B. Mancinelli. Journal of Applied Physics 109 063302 (6pp), 2011. ISSN: 0021-8979. 3. Schlieren technique applied to the arc temperature measurement in a high energy
    density cutting torch, L. Prevosto, G. Artana, B. Mancinelli and H. Kelly. Journal of
    Applied Physics 107 023304 (5pp), 2010. ISSN: 0021-8979.
4. Determination of plasma velocity from light fluctuations in a cutting torch, L. Prevosto,
    H. Kelly and B. Mancinelli. Journal of Applied Physics 106 053308 (4pp), 2009.
    ISSN: 0021-8979.
5. On the space-charge boundary layer inside the nozzle of a cutting torch, L. Prevosto,
    H. Kelly and B. Mancinelli. Journal of Applied Physics 105 123303 (5 pp.), 2009.
    ISSN: 0021-8979.
6. An Interpretation of Langmuir Probe Floating Voltage Signals in a Cutting Arc, L. Prevosto,
    H. Kelly and B. Mancinelli. IEEE Trans. Plasma Science, vol. 37 no. 2, pp. 1092-1098, 2009.
    ISSN: 0093-3813.
7. On the physical origin of the nozzle characteristic and its connection with the double-arcing
    phenomenon in a cutting torch, L. Prevosto, H. Kelly and B. Mancinelli. Journal of Applied
    Physics 105 013309 (6 pp.), 2009. ISSN: 0021-8979.
8. On the use of the metallic nozzle of a cutting torch as a Langmuir probe, L. Prevosto,
    B. Mancinelli and H. Kelly. Phys. Scr.T131 014026 (4 pp.), 2008.
    ISSN: 0031-8949.
9. On the Use of Sweeping Langmuir Probes in Cutting Arc Plasmas – Part I: Experimental
    Results, L. Prevosto, H. Kelly and B. Mancinelli. IEEE Trans. Plasma Science, vol. 36 no. 1,
    pp. 263-270, 2008. ISSN: 0093-3813.
10. On the Use of Sweeping Langmuir Probes in Cutting Arc Plasmas – Part II: Interpretation
    of the Results, L. Prevosto, H. Kelly and F. O. Minotti. IEEE Trans. Plasma Science vol. 36
    no. 1, pp. 271-277, 2008. ISSN: 0093-3813.
11. Hydrodynamic Model for the Plasma-Gas Flow in a Cutting Torch Nozzle. H. Kelly,
    F. O. Minotti, L. Prevosto, B. Mancinelli, Brazilian Journal of Physics, vol. 34, no. 4B,
    pp. 1531-37, December, 2004. ISSN 0103-9733.
12. Experimental Characterisation of a Low-Current Cutting Torch. H. Kelly, B. Mancinelli,
    L. Prevosto, F. O. Minotti, A. Márquez. Brazilian Journal of Physics, vol. 34, no. 4B,
    pp. 1518-22, December, 2004. ISSN 0103-9733.

Publicaciones en revistas sin referato

1. Plasmas térmicos y propiedades físicas de antorchas de plasma para el corte de metales.
    H. Kelly, F. O. Minotti, B. Mancinelli y L. Prevosto. Mirador Tecnológico, UTN-FRVT, nro. 4,
    mayo 2008.

Actas de congresos con referato

1. Diagnostics in cutting arc plasmas, L. Prevosto and H. Kelly, Journal of Physics: Conference Series
    (in press).
2. Numerical modelling of a cutting torch, B. Mancinelli, F. O. Minotti and H. Kelly. Journal of Physics:
    Conference Series (in press).
3. On the use of the Prandtl mixing length model in the cutting-torch modeling, B. Mancinelli, F. O. Minotti
    and H. Kelly. Journal of Physics: Conference Series 296 012025 (6pp), 2011. ISSN 1742-6588.
4. Correlation methods in cutting arcs, L. Prevosto and H. Kelly Journal of Physics: Conference Series 296
    012005 (6pp), 2011. ISSN 1742-6588.
5. On the influence of the nozzle length on the arc properties in a cutting torch, L. Prevosto,
    H. Kelly, M. Risso and D. Infante. Journal of Physics: Conference Series 166 (2009) 012021.
    ISSN 1742-6588.
6. Interpretation of Voltage Measurements in Cutting Torches, L. Prevosto, H. Kelly,
    B. Mancinelli, F. O. Minotti. AIP Conference Proceedings 2006 Volume 875. ISBN
    978-0-7354-0375-8. Editor Julio Herrera Velázquez. 207-210.

Libros o capítulos de libros

1. On the double-arcing phenomenon in a cutting arc torch, L. Prevosto, H. Kelly and B. Mancinelli.
    Numerical Simulations of Physical and Engineering Processes, Editor J. Awrejcewicz (InTech Open Access
    Publisher, 2011). ISBN 979-953-307-249-3. (Por invitación).

Participación en Congresos Internacionales

1. International Conference on Plasma Physics (ICPP) combined with the XIII Latin American Workshop
    on Plasma Physics, Santiago de Chile, Agosto 2010. Trabajo presentado: Diagnostics of cutting
    arc plasmas, Prevosto L., and H Kelly. Sesión de pósteres.
2. International Conference on Plasma Physics (ICPP) combined with the XIII Latin American Workshop
    on Plasma Physics, Santiago de Chile, Agosto 2010. Trabajo presentado: Numerical model
    validation of a cutting torch, B. Mancinelli, F.O. Minotti and H Kelly. Sesión de pósteres
3. On the use of the metallic nozzle of a cutting arc torch as a Langmuir probe, L. Prevosto,
    B. Mancinelli, H. Kelly. XII LAWPP, Caracas Venezuela, Septiembre de 2007.
4. Interpretation of Voltage Measurements in Cutting Torches, L.Prevosto, H.Kelly, B. Mancinelli,
    and F.O. Minotti presentado en el XI Latin American Workshop on Plasma Physics , 5-9
    de Diciembre de 2005 en Méjico.
5. Experimental characterization of a low-current cutting torch, H.Kelly, B. Mancinelli,
    L. Prevosto, F.O. Minotti, and A. Márquez; presentado en el X Latin American Workshop on
    Plasma Physics Combined with 7th Brazilian Meeting on Plasma Physics, 30 de noviembre
    al 5 de diciembre de 2003, en Sao Pedro, Brasil.
6. Hydrodynamic Model for the Plasma-Gas Flow in a Cutting Torch Nozzle, H.Kelly,
    F.O. Minotti, L. Prevosto, B. Mancinelli; presentado en el X Latin American Workshop on
    Plasma Physics Combined with 7th Brazilian Meeting on Plasma Physics, 30 de noviembre
    al 5 de diciembre de 2003, en Sao Pedro, Brasil.

Participación en Congresos Nacionales

1. XI Reunión sobre recientes avances en física de fluidos y sus aplicaciones, Colonia del Sacramento
    (Uruguay) 3-5 noviembre de 2010. Trabajo presentado: “On the use of the Prandtl mixing length
    model in the cutting torch modelling”, Mancinelli B., Minotti F.O. and Kelly H. Exposición en session
    de pósteres.
2. XI Reunión sobre recientes avances en física de fluidos y sus aplicaciones, Colonia del Sacramento
    (Uruguay) 3-5 noviembre de 2010. Trabajo presentado: “Generalized temperature correlation in
    cutting arcs”, Prevosto L. and Kelly H. Exposición oral.
3. 94 Reunión anual de la Asociación de Física Argentina (AFA), Rosario 14-18 de septiembre
    de 2009. Trabajo presentado: “Velocimetry techniques in highly constricted plasma jets”,
    Prevosto L., Kelly H., Mancinelli B. Expositor en sesión de pósteres.
4. 94 Reunión anual de la Asociación de Física Argentina (AFA), Rosario 14-18 de septiembre
    de 2009. Trabajo presentado: “Simulación numérica de una antorcha de plasma de 30 A”,
    Mancinelli B., Minotti F. O. y Kelly H. Expositor en sesión de pósteres.
5. Sobre el origen físico del perfil radial de las señales flotantes en arcos de plasma de alta
    presión, Prevosto L., Kelly H., Mancinelli B., presentado en sesión de pósteres en la X
    Reunión sobre recientes avances en física de fluidos y sus aplicaciones, Santa Fe 19-21
    noviembre de 2008.
6. Modelado numérico de una antorcha de arco transferido, Mancinelli B., Minotti F. y Kelly H.,
    presentado en sesión de pósteres en la X Reunión sobre recientes avances en física de
    fluidos y sus aplicaciones, Santa Fe 19-21 noviembre de 2008.
7. Estudio experimental de un jet supersónico de plasma térmico mediante la utilización de
    sondas de Langmuir, Prevosto L., Kelly H., Mancinelli B., presentado en sesión de pósteres
    en la IX Reunión sobre recientes avances en física de fluidos y sus aplicaciones, Mendoza
    1-3 noviembre de 2006.
8. Teoría de sondas en arcos de plasma de alta presión, Mancinelli B., Prevosto L., Kelly H.,
    Minotti F., presentado en sesión de pósteres en la IX Reunión sobre recientes avances en
    física de fluidos y sus aplicaciones, Mendoza 1-3 noviembre de 2006.
9. Mediciones Interferométricas de Densidad en un Arco Transferido, Bilbao L., Kelly H.,
    Mancinelli B., Prevosto L., presentado en sesión de pósteres en la AFA 2004, Bahía Blanca,
    setiembre de 2004.

Tesis de Posgrado

Tesis Doctoral Leandro Prevosto
Tesis Doctoral Beatriz R. Mancinelli