Новая оптика и фотоника

Меери Ким

Экспериментальная установка для нового метода 3D-изображения включает в себя одну высокоскоростную камеру, две ксеноновые лампы и серию волоконных жгутов. Это оборудование относительно доступно по сравнению с более сложными и специализированными установками, используемыми в других методах. [Изображение: К. Лей, Северо-Западный политехнический университет]

Шлирен-визуализация — это оптический метод, позволяющий визуализировать невидимые структуры потока, например, в газах, воздухе и других прозрачных средах. Он может улавливать ударные волны от трубы, тепло, исходящее от человеческой руки, или струю теплого воздуха из фена.

Теперь исследователи в Китае говорят, что они разработали высокоскоростной 3D-шлирен-подход, который может отображать фундаментальные турбулентные свойства пламени во время горения (Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.496333). Этот метод усовершенствован по сравнению с предыдущими методами 3D-шлирена за счет использования только одной высокоскоростной камеры вместо нескольких, а также повышения временного разрешения.

Традиционная шлирен-визуализация использует свет от одного коллимированного источника, освещающего целевой объект или позади него. Любые пространственные изменения плотности, вызванные такими факторами, как давление или температура, приводят к изменениям показателя преломления, искажая луч и приводя к двумерному изображению потока жидкости.

Недавно был достигнут прогресс в распространении шлирен-измерений на три измерения. До сих пор большинство подходов требовали использования нескольких камер для захвата информации о потоке с разных точек зрения с последующей томографической реконструкцией для создания трехмерного распределения свойств потока. Однако к недостаткам этих методов относятся ограниченное временное и пространственное разрешение, трудности обработки данных и высокая стоимость оборудования.

В последнем исследовании Цинчунь Лей и его коллеги продемонстрировали новую технику 3D-шлирена, которая сочетает в себе визуализацию волокон, традиционную шлирен-визуализацию и компьютерную томографию (КТ). С помощью своей системы, которая включает в себя только одну высокоскоростную камеру, они могли одновременно снимать шлирен-изображения турбулентного пламени с семи ориентаций с частотой кадров, превышающей десятки килогерц.

Сложное поведение турбулентного пламени, возникающего при горении. Слева показаны два сечения трехмерного измерения плотности; горизонтальный срез находится при Z = 16 мм, а вертикальный срез при X = 0 мм. Справа — 3D-изоповерхность наибольшего градиента плотности между смесью и продуктом сгорания. На нем изображены бурные морщины и очаги пламени. [Изображение: К. Лей, Северо-Западный политехнический университет]

«Разработанный нами подход к высокоскоростной визуализации дает детальное представление о динамике пламени, процессах воспламенения и поведении горения», — сказал автор исследования Лей из Северо-Западного политехнического университета в пресс-релизе, сопровождающем исследование. «Это может дать представление об эффективности сгорания, выбросах загрязняющих веществ и оптимизации процессов производства энергии, которые можно использовать для улучшения конструкции и эксплуатации электростанций, двигателей и других устройств сгорания, что приведет к снижению воздействия на окружающую среду и повышению энергоэффективности».

Источник света состоял из двух ксеноновых ламп, двух разветвленных волоконных жгутов и семи коллимирующих линз. Пучки волокон разделяют свет на семь отдельных лучей, после чего линзы расширяются и направляют свет через область пламени. Что касается обнаружения, система формирования изображений включала в себя семь конвергентных линз, семь ножевых кромок для блокировки части входящего света, раздвоенный пучок волокон для формирования изображения и высокоскоростную камеру CMOS.

Наконец, исследователи использовали КТ-реконструкцию и постобработку для получения 3D-шлирен-изображений, а также 3D-информации о плотности и скорости. Система успешно измеряла как турбулентное, так и стабильное ламинарное пламя предварительно смешанной смеси, а также переходный динамический процесс воспламенения, при меньших затратах и ​​более высокой скорости, чем предыдущие методы.

«Детальное понимание поведения пламени и процессов воспламенения, обеспечиваемое этим методом, также может способствовать более эффективным мерам пожарной безопасности, предоставляя информацию о том, как пожар распространяется, развивается и может быть подавлен», — сказал Лей. «Это можно использовать для совершенствования стратегий предотвращения пожаров, улучшения конструкции зданий и разработки более эффективных систем пожаротушения, которые в конечном итоге могут помочь спасти жизни, защитить имущество и улучшить общие стандарты пожарной безопасности».