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Meeri Kim

A configuração experimental para o novo método de imagem 3D inclui uma única câmera de alta velocidade, duas lâmpadas de xenônio e uma série de feixes de fibras. Este equipamento é relativamente acessível em comparação com a configuração mais complexa e especializada usada em outras técnicas. [Imagem: Q. Lei, Universidade Politécnica do Noroeste]

A imagem Schlieren é uma técnica óptica capaz de visualizar estruturas de fluxo invisíveis, como aquelas em gases, ar e outros meios transparentes. Ele pode capturar ondas de choque de uma trombeta, o calor que sai de uma mão humana ou um jato de ar quente de um secador de cabelo.

Agora, pesquisadores na China dizem que desenvolveram uma abordagem schlieren 3D de alta velocidade que pode gerar imagens das propriedades fundamentais da chama turbulenta durante a combustão (Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.496333). A técnica melhora os métodos schlieren 3D anteriores, usando apenas uma única câmera de alta velocidade em vez de múltiplas, além de aumentar a resolução temporal.

A imagem schlieren tradicional emprega luz de uma única fonte colimada brilhando sobre ou atrás de um objeto alvo. Quaisquer variações espaciais na densidade causadas por fatores como pressão ou temperatura levam a alterações no índice de refração, distorcendo o feixe e resultando em uma imagem 2D do fluxo de fluido.

Recentemente, houve progresso na extensão das medições de Schlieren para três dimensões. A maioria das abordagens até este ponto exigiu várias câmeras para capturar informações de fluxo de diferentes perspectivas, seguidas de reconstrução tomográfica para criar uma distribuição 3D das propriedades do fluxo. No entanto, as desvantagens destes métodos incluem resoluções temporais e espaciais limitadas, dificuldades no processamento de dados e o alto custo do equipamento.

Na pesquisa mais recente, Qingchun Lei e seus colegas demonstraram uma nova técnica de schlieren 3D que combina imagens de fibra, imagens de schlieren tradicionais e tomografia computadorizada (TC). Com seu sistema, que inclui apenas uma única câmera de alta velocidade, eles poderiam capturar simultaneamente imagens schlieren de chamas turbulentas de sete orientações com uma taxa de quadros superior a dezenas de quilohertz.

O comportamento complexo das chamas turbulentas produzidas durante a combustão. À esquerda são mostradas duas seções transversais da medição de densidade 3D; a fatia horizontal está em Z = 16 mm e a fatia vertical em X = 0 mm. À direita está a isosuperfície 3D do maior gradiente de densidade entre a mistura e o produto queimado. Retrata rugas turbulentas e bolsas de chamas. [Imagem: Q. Lei, Universidade Politécnica do Noroeste]

“A abordagem de imagem de alta velocidade que desenvolvemos fornece insights detalhados sobre a dinâmica da chama, processos de ignição e comportamento de combustão”, disse o autor do estudo, Lei, da Northwestern Polytechnic University, em um comunicado de imprensa que acompanha a pesquisa. “Isso pode fornecer informações sobre a eficiência da combustão, as emissões de poluentes e a otimização dos processos de produção de energia que poderiam ser usados ​​para melhorar o projeto e a operação de usinas de energia, motores e outros dispositivos de combustão, levando à redução do impacto ambiental e ao aumento da eficiência energética.”

A fonte de luz consistia em duas lâmpadas de xenônio, dois feixes de fibras fan-out e sete lentes colimadoras. Os feixes de fibras dividiram a luz em sete raios individuais, após os quais as lentes se expandiram e guiaram a luz para passar pela área da chama. No lado da detecção, a configuração de imagem incluía sete lentes convergentes, sete lâminas para bloquear parte da luz que entrava, um feixe de fibras de imagem bifurcada e uma câmera CMOS de alta velocidade.

Por último, os pesquisadores usaram reconstrução e pós-processamento de TC para obter imagens schlieren 3D, juntamente com informações de densidade e velocidade 3D. O sistema mediu com sucesso chamas pré-misturadas laminares turbulentas e estáveis, bem como o processo de ignição dinâmico e transitório, a um custo menor e a uma velocidade mais alta do que os métodos anteriores.

“A compreensão detalhada do comportamento das chamas e dos processos de ignição facilitados por esta técnica também pode contribuir para medidas de segurança contra incêndio mais eficazes, fornecendo informações sobre como os incêndios se espalham, se desenvolvem e podem ser suprimidos”, disse Lei. “Isso pode ser usado para aprimorar estratégias de prevenção de incêndios, melhorar projetos de edifícios e desenvolver sistemas de supressão de incêndios mais eficientes que poderiam, em última análise, ajudar a salvar vidas, proteger propriedades e melhorar os padrões gerais de segurança contra incêndios.”