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Miri Kim

La configuración experimental para el nuevo método de imágenes 3D incluye una única cámara de alta velocidad, dos lámparas de xenón y una serie de haces de fibras. Todo este equipo es relativamente asequible en comparación con la configuración más compleja y especializada utilizada en otras técnicas. [Imagen: Q. Lei, Universidad Politécnica del Noroeste]

La obtención de imágenes de Schlieren es una técnica óptica capaz de visualizar estructuras de flujo invisibles, como las de los gases, el aire y otros medios transparentes. Puede capturar las ondas de choque de una trompeta, el calor que se eleva de una mano humana o un chorro de aire caliente de un secador de pelo.

Ahora, investigadores en China dicen que han desarrollado un método schlieren 3D de alta velocidad que puede obtener imágenes de las propiedades fundamentales de las llamas turbulentas durante la combustión (Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.496333). La técnica mejora los métodos schlieren 3D anteriores al utilizar una sola cámara de alta velocidad en lugar de varias, además de aumentar la resolución temporal.

Las imágenes Schlieren tradicionales emplean luz de una única fuente colimada que brilla sobre o detrás de un objeto objetivo. Cualquier variación espacial en la densidad causada por factores como la presión o la temperatura provoca cambios en el índice de refracción, distorsionando el haz y dando como resultado una imagen 2D del flujo de fluido.

Recientemente, se han logrado avances en la ampliación de las mediciones Schlieren a tres dimensiones. La mayoría de los enfoques hasta este momento han requerido varias cámaras para capturar información del flujo desde diferentes perspectivas, seguidas de una reconstrucción tomográfica para crear una distribución 3D de las propiedades del flujo. Sin embargo, las desventajas de estos métodos incluyen resoluciones temporales y espaciales limitadas, dificultades en el procesamiento de datos y el alto costo del equipo.

En la última investigación, Qingchun Lei y sus colegas demostraron una nueva técnica de Schlieren 3D que combina imágenes de fibra, imágenes de Schlieren tradicionales y tomografía computarizada (TC). Con su sistema, que solo incluye una cámara de alta velocidad, pudieron capturar simultáneamente imágenes schlieren de llamas turbulentas desde siete orientaciones con una velocidad de fotogramas superior a decenas de kilohercios.

El complejo comportamiento de las llamas turbulentas producidas durante la combustión. A la izquierda se muestran dos secciones transversales de la medición de densidad 3D; el corte horizontal está en Z = 16 mm y el corte vertical en X = 0 mm. A la derecha está la isosuperficie 3D del mayor gradiente de densidad entre la mezcla y el producto quemado. Representa arrugas turbulentas y focos de llamas. [Imagen: Q. Lei, Universidad Politécnica del Noroeste]

"El enfoque de imágenes de alta velocidad que desarrollamos proporciona información detallada sobre la dinámica de la llama, los procesos de ignición y el comportamiento de la combustión", dijo el autor del estudio Lei, de la Universidad Politécnica Northwestern, en un comunicado de prensa que acompaña a la investigación. "Esto puede proporcionar información sobre la eficiencia de la combustión, las emisiones contaminantes y la optimización de los procesos de producción de energía que podrían usarse para mejorar el diseño y operación de plantas de energía, motores y otros dispositivos de combustión, lo que conduciría a un menor impacto ambiental y una mayor eficiencia energética".

La fuente de luz constaba de dos lámparas de xenón, dos haces de fibras en abanico y siete lentes colimadoras. Los haces de fibras dividieron la luz en siete rayos individuales, después de lo cual las lentes se expandieron y guiaron la luz para que pasara a través del área de la llama. En el lado de la detección, la configuración de imágenes incluía siete lentes convergentes, siete filos para bloquear parte de la luz entrante, un haz de fibras de imágenes bifurcadas y una cámara CMOS de alta velocidad.

Por último, los investigadores utilizaron reconstrucción y posprocesamiento por tomografía computarizada para obtener imágenes schlieren en 3D, junto con información de densidad y velocidad en 3D. El sistema midió con éxito llamas premezcladas laminares turbulentas y estables, así como el proceso de ignición dinámico y transitorio, a un costo menor y a mayor velocidad que los métodos anteriores.

"La comprensión detallada del comportamiento de las llamas y los procesos de ignición facilitados por esta técnica también puede contribuir a medidas de seguridad contra incendios más efectivas al proporcionar información sobre cómo los incendios se propagan, se desarrollan y pueden extinguirse", dijo Lei. "Esto se puede utilizar para mejorar las estrategias de prevención de incendios, mejorar los diseños de edificios y desarrollar sistemas de extinción de incendios más eficientes que, en última instancia, podrían ayudar a salvar vidas, proteger la propiedad y mejorar los estándares generales de seguridad contra incendios".

Fecha de publicación: 03 de agosto de 2023