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C.M. Casciola
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienza
12 - Febbraio - 2017
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Componenti del Gruppo
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Linee di Ricerca ERC - BIC1. Microscale Wetting & CavitationM. Amabili (AR), A. Giacomello (RTD-A), E. Lisi (PhD), S. Marchio (PhD), S. Meloni (RTD-A), A. Tinti (Collaborazioni: C. Valeriani (Universidad Complutense de Madrid)
2. Mesoscale Cavitation & Multiphase Flow PhysicsM. Gallo (PhD), F. Magaletti (AR), L. Marino (PA)3. Macroscale Cavitation & Multiphase FlowsD. Pimponi (AR)Collaborazioni: S. Chibbaro, S. Popinét (UPMC/Sorbonne) 4. Bubble Dynamics & Turbulent TransportF. Battista (RTD-A), P. Gualtieri (RC), J.-P. Mollicone (AR)
5. Laser Induced CavitationD. Caprini (PhD), L. Marino (PA), A. Occhicone (PhD), G. Sinibaldi (AR)Collaborazioni: M. Chinappi (RTD-B Tor Vergata), F. Michelotti (PA SBAI), F. Pereira (INSEAN
6. Cavitation in BiochipsD. Caprini (PhD), L. Marino (PA), C. Scognamiglio (PhD), G. Silvani (PhD), G. Sinibaldi (AR)Collaborazioni: D. Durando (INRIM - Ultrasound Lab.), M. Kiani (Temple University), G. Peruzzi (CLNS@IIT)
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Altre Linee di Ricerca7. Experimental MicrofluidicsD. Caprini (PhD), L. Marino (PA), C. Scognamiglio (PhD), G. Sinibaldi (AR)Collaborazioni: M. Chinappi (RTD-B Tor Vergata), X. Noblin (CNRS-LPMC), A. Nascetti (DIET
8. After Implant HemodynamicsG. Finesi (MS), F. Battista (RTD-A), P. Gualtieri (RC)Collaborazioni: M. Taurino (PO Medicina Clinica e Molecolare & AO S. Andrea)
9. MicrocombustorsF. Battista (RTD-A)Collaborazioni: S. Chibbaro (UPMC/Sorbonne)
10. Fundamental TurbulenceF. Battista (RTD-A), P. Gualtieri (RC), J.-P. Mollicone (AR)
Consistenza del gruppo: 1 PO, 1 PA, 1 RC, 3 RTD-A, 5 AR, 8 PhD S., 1 MS
Collaborazioni: Univ. Complutense Madrid, UPMS/Sorbonne Paris, Tor Vergata, SBAI, INSEAN Roma, Temple Philadephia, INRIM Torino, DIET, CNRS
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Giovanna PeruzziG. Durando
X. Noblin
Francisco Pereira
M. Kiani
S. PopinétS. Chibbaro
C. Valeriani
Dipartimento di Ingegneria Industriale
M. Chinappi
DMCM - Dipartimento di Medicina Clinica e MolecolareM. Taurino
A. Nascetti
DIET - Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Telecomunicazioni
SBAI - Dipartimento di Scienze di Base Applicate all’IngegneriaF. Michelotti
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35 Pubblicazioni 2013 -Phys. Rev. Fluids (2s)J. Fluid Mech. (1s, 9)Phys. Rev. Let. (2)J. Phys: Cond. Mat. (1)J. Chem. Phys. (3)J. Mult. Phase Flows. (1)Soft Matter (1)New J. Phys. (1)Adv. Mat. Int. (1)Flow. Turb. Comb. (1)Europ. Phys. Let. (1)J. Phys.: Conf. S. (2)Phys. Fluids (2)Langmuir (2)Microfluidics & Nano. (2)Int. J. Heat Mass Tr. (1)Phys. Rev. E (1)J. Phys. Chem. B (1)
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Fondi
• ERC Advanced Grant 2013: (BIC) Cavitation across scales - Following bubbles from • Sapienza Awards 2014: Micro & Nanobubbles for Drug Delivery (53 k€)• Grandi e Medie Attrezzature Sapienza: Cluster Menrva (120 k€)• 5 PRACE Grants: CMC (2), P. Gualtieri (1), A. Giacomello (1, 2 year) (estimated financial equivalent 0.5• Grandi e Medie Attrezzature Sapienza 2012: Sistema per Microscopia a Correlazione Shuttle and Find (20 k€) • Fondi Gestione Microfluidic Lab (IIT-CLNS@Sapienza) (40 k€/year)
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Strutture & Attrezzature- Cluster Menrva
12 Nodi x 2 eptacore = 192 cores (CPU Intel Xeon E5-2650v2 2,6GHz, 64 Gb RAM)Switch Infiniband E6345, 40 Gb/s12 Dischi 3 TB SATA, configurazione RAID 6 (30 TB)
- Microfluidic Lab IIT Center for Life Nanoscience@Sapienza
- Area Meccanica ApplicataDIMA
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Sapienza Cluster: Menrva• Grandi e Medie attrezzature: 1.2E+5 €• More than 120 participants
• Engineering, Physics• Mathematics, Chemistry• Biology, Pharmacy• Medicine
• 12 compute nodes: 384 cores• 32 cores per node• 64 Gb per node• 48Tb storage• Intel E5-2650 v2 @ 2.60GHz• InfiniBan connection
• Hosted at DIMAMenrva: Etruscan Godness ofwar, art, wisdom and health
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Microscale Wetting & Cavitation
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Nanoscalewettingandcavitation
People:
• SimoneMeloni• AlbertoGiacomello• MatteoAmabili• EmanueleLisi• AntonioTinti• SaraMarchio
Originofcavitation:homogeneousandheterogeneousnucleation
Superhydrophobicsurfaces
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Methods
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Anti-icing
Technologicalapplicationsofsuperhydrophobic(submerged)surfaces
Boiling heat transfer
Drag reductionDrug delivery
Self cleaning
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Wetting/dewettingofnanopillaredsubmergedsurfaces:microvsmacro
➢Simplefluidonasimplesolid➢BothareLJ➢Solid-fluid
➢Mostprobabledewettingpathasafunctionofthedensityfield➢Nottheusualobservablevaporvolume➢Energetics
M. Amabili et al, submitted to Phys. Rev. Fluids
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IIIIII
IV
V
atomistic
-1 3/4 1/2 1/4 0
Patankar,Langmuir20,7097(2004)Patankar,Langmuir26,8941(2010)
continuum
AtomisticdewettingMechanismandenergetics
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RobustSubmergedSuperhydrophibicity:Salviniamolesta
Hydrophilic tips
Hydrophobic hairs Wax crystals
No wax
Barthlottetal,Adv.Mat.22,2325(2010)
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ModelSystem
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CombinedchemistrymodelPhilictop
Phobicinterior
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Designprinciplesforself-recoverysuperhydrophobicsurfaces
• Self-recovery • Minimal solid fraction
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Designprinciplesofself-recoverysurfacesfordragreductionself-recovery
Dragre
duction
Combine
d
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Cavitationinnanoporousmaterials
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RareeventMD:cavitationinananopore
Physicsofnanoconfinedwater(D=2nm):• cavitationatP=20MPa• intrusionatP=80MPa• hysteresisinintrusion/extrusioncycles
Applicationsofhydrophobicnanopores+water:• energystorage:surfaceenergy• dampers:dissipationinintrusion/extrusioncycles
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Cavitation at the Mesoscale & Multiphase Flow Physics
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Diffuse interface model for liquid-vapor phase transitions
The free-energy functional
leads to the constitutive equations:phase transitions
surface tension
Francesco Magaletti (DIMA)Mirko Gallo (DIMA)Luca Marino (DIMA)
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Collapse dynamics in free spaceDensity field (top) Pressure gradient (bottom)
(pressure gradient visualizes bubble interface and radiated shock)
• Strong overpressure prevents completecondensation (rebounds)
• A shock wave is emitted at rebound• Strong thermal effects (sub-micron
bubbles)• Successive rebounds emit weaker and
waker shocks
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A cartoon of collapse dynamics
Color legend• Liquid phase• Supercritical phase• Vapour phase
• supercritical fluid (incondensable —> rebound)
• For insufficient compression vapour fully condensates
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Bubble Collapse Near a Wall
• Vapor bubble with in equilibrium with liquid (radius , center at
• Impinging shockwave intensity
• Simulations for different and
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Bubble Collapse Near a Wall
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Bubble Collapse Near a Wall
The axial flow after bubble collapse convects the re-expanding bubble toward the wall
Bubble center of mass
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Bubble Collapse Near a Wall
•Pressure and temperature peaks at minimum bubble volume
•Pressure peak at the wall
•Huge wall pressure peak when the bubble gets close to the wall (second collapse)
Pressure Temperature
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Fluctuating Hydrodynamics & Cavitation
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Fluctuating Hydrodynamics (Lifshitz, Landau, Uhlembeck, Onsager)
• Entropy Functional and Fluctuations
• Functional Langevin Equation
• Fluctuation Dissipation
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Vapour Nucleation & Fluctuating Hydrodynamics
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Bubble Dynamics & Turbulent Transport
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(to appear)
Micro-Macro-Micro
• Microscopic inception: MD• Macroscopic transport: turbulence
• micro-bubbles radius dynamics (Rayleigh-Plesset) • turbulence modulation (ERPP)• large bubbles (VoF)
• Microscopic collapse: PF
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Micro-bubble dynamicsNewtons’ law
Stokes Number
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Bubbles in the BoxDNS of Homogeneous shear turbulence
Clustering inside vortices
Iso-surfaces of the “D” invariant: coherent vortical structures & instantaneous bubble position
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Bubble radius dynamics: Rayleigh-Plesset
Gas bubble: Isentropic
Turbulent pressure signal
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Bubble radius dynamics: Rayleigh-Plesset
Gas bubble: Isentropic
Turbulent pressure signal
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Can a bubble blow-up?
• Intermittent pressure bursts• Intrinsic RP time-scale to be correlated with
• pressure correlation time-scale• time spent in negative pressure regions
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Micro-Bubble Transport in Turbulence
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Microfluidic Lab
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• Micro-PIV• Fluorescence Confocal
Microscopy• High Speed Imaging• Fiber Optic
Hydrophone• Micro-fabrication• Cell-culture
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• Micro-PIV• Fluorescence Confocal
Microscopy• High Speed Imaging• Fiber Optic
Hydrophone• Micro-fabrication• Cell-culture
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• Micro-PIV• Fluorescence Confocal
Microscopy• High Speed Imaging• Fiber Optic
Hydrophone• Micro-fabrication• Cell-culture
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• Micro-PIV• Fluorescence Confocal
Microscope• High Speed Imaging• Fiber Optic
Hydrophone• Micro-fabrication• Cell-culture
Confocal microscope (Olympus iX73 FluoView1220) operated in epi-fluorescence
Evolve 512 Delta EMCCD camera
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• Micro-PIV• Fluorescence Confocal
Microscopy• High Speed Imaging• Fiber Optic
Hydrophone• Micro-fabrication• Cell-culture
• CMOS sensor• 10 µm x 10 µm pixel size• Resolution 1280 x 1024• 4000 fps@ full frame• 800.000 fps@ 1D
Photron Mini UX1000
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• Micro-PIV• Fluorescence Confocal
Microscopy• High Speed Imaging• Fiber Optic
Hydrophone• Micro-fabrication• Cell-culture
SBAI – La Sapienza
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• Micro-PIV• Fluorescence Confocal
Microscopy• High Speed Imaging• Fiber Optic
Hydrophone• Micro-fabrication• Cell-culture
Mask UV PROJECTOR
UV light
Photoresist
Lithography
7 µm
DIET – La Sapienza
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• Micro-PIV• Fluorescence Confocal
Microscopy• High Speed Imaging• Fiber Optic
Hydrophone• Micro-fabrication• Cell-culture
200 µm
![Page 51: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/51.jpg)
Cavitation in Biochips
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Department of Mechanical and Aerospace Engineering
Cavitation enhanced drug delivery
Giulia Silvani (DIMA - IIT)Chiara Scognamiglio (DIMA - LPMC)Davide Caprini (DIMA)Giorgia Sinibaldi (DIMA)Luca Marino (DIMA)Mauro Chinappi (Torvergata)
G. Durando
Prof. M. Kiani
Giovanna Peruzzi
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Cavitation enhanced drug delivery
Blood vessel on a chip Permeability measurements
Deosarkar et al., PLOS ONE 2015
5 min 120 min
Cell free device
30 min 60 min
HUVEC’s culture
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• Realistic sizes• Correct perfusion rate• Correct physiological shear stress intensity• Ability to reproduce the biochemical interactions
between tumor and endothelium
Cavitation enhanced drug deliveryUnique features of the device
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Hao-Li Liu et al., Theranostics 2014
Micro-bubbles and ultrasoundsfor drug delivery to solid tumours
Cavitation enhanced drug delivery
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Programable (burst mode)Max frequency 12.5 MHzMax amplitude 10V p-pOutput Impedance 50 Ω
Diameter 6 mmPlanar contactV-scanResonance frequency 2,25 MHz
Ultrasounds chain
40 W - 10 KHz to 12 MHzPower gain 50 dBInput Impedence 50 ΩOutput Impedence 50 Ω
Diameter 2,5 – 8 µmInside: sulfur hexafluorideOutside: phospholipid monolayerResonance frequency 2,5 MHz
Generatore di segnaleTEKTRONIX AFG3022B
AmplificatoreE&I POWER AMPLIFIER 240L
Ultrasound transducerV133-RM
Sonovue
Cavitation enhanced drug delivery
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Experimental Microfluidics
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Department of Mechanical and Aerospace Engineering
Experimental Microfluidics
Davide Caprini (DIMA)Chiara Scognamiglio (DIMA - LPMC)Giorgia Sinibaldi (DIMA)Luca Marino (DIMA)Mauro Chinappi (Torvergata)
DIET - Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Telecomunicazioni
Prof. A. Nascetti
Xavier Noblin
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Bubbles in micro-devicesMicroPIV + high speed imaging
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Micro-bubbles generator
◇ Gas insufflation
◇ Electric spark
◇ Focused laser
◇ Cavitation
◇ Electrowetting (EWOD)
◇ Ultrasounds
◇ Micro-PIV
◇ High speed imaging
◇ Hydrophone
◇ Shadowgraph
Bubble generationPosition control and excitation
Fluid dynamic characterization
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Cavitation confined in Micro-system
Biomimetic device fabrication
2 hr 90 °C
PDMS on SU8 mold
hydrogel with pattern
hydrogel without pattern closed hydrogel2 days in water80 °C
![Page 62: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/62.jpg)
Bubbles acoustic signature10 μm walls 20 μm walls
9
![Page 63: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/63.jpg)
Laser Induced Cavitation
![Page 64: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/64.jpg)
Department of Mechanical and Aerospace Engineering
Laser Induced Cavitation Bubble
Giorgia Sinibaldi (DIMA)Davide Caprini (DIMA)Agostino Occhicone (DIMA –SBAI)Luca Marino (DIMA)Mauro Chinappi (Torvergata)
SBAI - Dipartimento di Scienze di Base Applicate all’Ingegneria
Prof. F. Michelotti
Francisco Pereira
![Page 65: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/65.jpg)
Set up
![Page 66: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/66.jpg)
Bubble dynamics
80.000 fps
EL = 33.15 mJEL = 5.65 mJ
Frames
(Interframing time 12,5 µs)
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“Spherical” rebound
![Page 68: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/68.jpg)
Multiple plasmaPlasma Analysis
(same laser energy)
534 µm
laser Three plasmas - one bubble
Three plasmas - three bubbles
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Hydrophone
laser
Tagawa et al 2016
Breakdown shock wave emission
ΔV (m
V)
Time (µs)
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After Implant Hemodynamics
![Page 71: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/71.jpg)
DMCM - Dipartimento di Medicina Clinica e MolecolareM. Taurino
After Implant Hemodynamics
Giorgio Finesi (MS DIMA/DMCM)Francesco Battista (DIMA)Paolo Gualtieri (DIMA)
![Page 72: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/72.jpg)
Microcombustors
![Page 73: Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Sapienzadma.ing.uniroma1.it/dima/sites/default/files/ING-IND06-1... · Meccanica e Aerospaziale Sapienza 12 -Febbraio -2017. Componenti](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012901/5c6ab13d09d3f20f298cfb08/html5/thumbnails/73.jpg)
Microcombustors
Francesco Battista (DIMA)Gianmatteo Carapellotti (MS DIMA)Matteo Hakimi (MS DIMA/UPMS)
S. Chibbaro
CNRS - Laboratoire de Combustion et Systemes Reactifs
❖ Lithium ion batteries E = 0.2 kWh/kg❖ micro combustors E=10 kWh/kg
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Fundamental Turbulence
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Francesco Battista (DIMA)Paolo Gualtieri (DIMA)Jean-Paul Mollicone (DIMA)
Fundamental Turbulence
Previous collaborations:E. De Angelis, A. Cimarelli, I. Marusich,E. Longmire, X. Jimenez