新型高速成像方法捕捉燃烧火焰的三维细节

一种新的高速三维成像方法可以捕捉到燃烧过程中产生的湍流火焰的复杂行为。所示为分别在 Z = 16 毫米和 X= 0 毫米处进行的三维密度测量的两个横截面（a），以及混合物和燃烧产物之间最大密度梯度的三维等值面（b）。来源：北大，雷庆春 雷庆春，西北工业大学

研究人员开发出一种新方法，用于捕捉燃烧过程中产生的湍流火焰的复杂行为。这种高速三维成像方法提供的洞察力可用于为汽车、飞机、工厂和发电厂开发更高效、更清洁的燃烧系统。

"来自中国西北工业大学的雷庆春说："我们开发的高速成像方法可以详细了解火焰动力学、点火过程和燃烧行为。"这可以让我们深入了解燃烧效率、污染物排放和能源生产过程的优化，可用于改进发电厂、发动机和其他燃烧装置的设计和运行，从而减少对环境的影响，提高能源效率"。

在《光学快报》（Optics Letters）上，研究人员介绍了他们的新技术，该技术将高速图像重建和三维信息添加到schlieren成像中，这是一种成熟的成像和测量流体现象的技术。新方法可用于定量获取湍流火焰的三维密度和速度分布。

"Lei说："这项技术有助于详细了解火焰行为和点火过程，还能提供有关火灾如何蔓延、发展和扑灭的信息，从而有助于采取更有效的消防安全措施。"这可用于加强防火策略、改进建筑设计和开发更高效的灭火系统，最终有助于挽救生命、保护财产和提高整体消防安全标准。"

增加速度和多角度
由于湍流燃烧具有高度的动态性和三维性，因此使用传统的雪莲成像等测量方法很难对其进行充分的定量捕捉。为了解决这个问题，研究人员结合了三种成像方法：纤维成像、schlieren成像和计算机断层扫描（CT）。

新技术利用一系列光纤束从不同角度传输包含火焰信息的光线。每个角度的光线形成一个托普勒透镜式的裂隙成像系统，可以对目标火焰的密度变化进行成像。然后，采用医学成像中常用的 CT 技术来重建三维离散图像。最后，对三维裂片图像进行后处理，以获得三维密度和速度信息。

"Lei说："光纤成像能够以灵活、经济高效的方式实现高速、多角度同步裂隙成像，而加入CT后，就能在多角度二维图像的基础上实现目标火焰的三维重建。"由此产生的高速三维裂片成像技术实现了超过数十千赫兹的帧速率，从而能够以出色的时间分辨率捕捉到快速变化的火焰现象，提供对瞬态火焰事件的详细洞察"。

实验装置。图片来源：西北工业大学 西北工业大学，雷庆春

捕捉复杂的火焰动态
为了验证高速三维裂隙成像方法的有效性和性能，研究人员对湍流和层流预混合火焰以及瞬态点火过程进行了实验。实验装置包括一台高速相机、两盏氙灯和一系列光纤束。

纤维束的定位是为了同时从七个不同方向捕捉火焰的裂隙图像，而相机则以高帧速率记录图像。与其他技术中使用的激光等更复杂、更专业的设备相比，该实验装置的成本相对较低。

实验结果表明，高速三维裂隙成像方法成功捕捉并测量了火焰的动态、结构和点火过程。

研究人员目前正在努力提高该技术的实用性和商业化潜力。这包括在更广泛的火焰条件和配置下测试其稳健性和可靠性，以及优化图像处理和重建算法。他们还希望改进系统集成和自动化，进一步简化设置。

参考资料

Xiang Li et al, Fiber-based high-speed 3D schlieren imaging, Optics Letters (2023). DOI: 10.1364/OL.496333

原文链接

https://phys.org/news/2023-07-high-speed-imaging-method-captures-3d.html