捕捉燃烧过程中湍流火焰的复杂行为

科学家们开发出一种新技术，用于捕捉燃烧过程中产生的湍流火焰的复杂行为。

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）。图片来源： 西北工业大学，雷庆春

这种高速三维成像方法提供的知识可用于为飞机、汽车、工厂和发电厂开发高效清洁的燃烧系统。

我们开发的高速成像方法可提供有关火焰动力学、点火过程和燃烧行为的详细见解。---雷庆春，中国西北工业大学副教授

雷庆春补充说："这可以提供有关燃烧效率、污染物排放和能源生产过程优化的见解，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并提高能源效率。

在 Optica 出版集团的《光学快报》（Optics Letters）杂志上，科学家们介绍了他们的新方法，该方法将三维信息和高速图像重建添加到裂隙成像中，这是一种成熟的成像和量化流体现象的方法。

这种新方法可用于定量了解湍流火焰的三维密度和速度分布。

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。---雷庆春，中国西北工业大学副教授

Lei 补充说："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
众所周知，湍流燃烧具有高度的动态性和三维性，因此很难利用传统的裂隙成像等测量方法对其进行充分的定量捕捉。为了解决这个问题，科学家们整合了三种成像方法： 雪莲成像、纤维成像和计算机断层扫描（CT）。

新方法利用一系列光纤束从不同角度发送包含火焰信息的光线。

每个角度的光线都会形成一个托普勒透镜式的舍利连系统，该系统有可能对目标火焰的密度变化进行成像。一般用于医学成像的 CT 将进一步用于重建三维 Schlieren 图像。最后，通过对三维雪莲图像进行后处理，获得三维密度和速度信息。

纤维成像技术以灵活、经济的方式实现了高速、多角度同步Schlieren成像，而加入CT技术后，则可在多角度二维图像的基础上实现目标火焰的三维重建。---雷庆春，中国西北工业大学副教授

雷庆春补充说："由此产生的高速三维 Schlieren 成像技术实现了超过数十千赫兹的帧速率，从而能够以超高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。

捕捉复杂的火焰动态
为了验证高速三维 Schlieren 成像方法的性能和有效性，科学家们对湍流和层流预混合火焰以及瞬态点火过程进行了实验。

实验装置包括两盏氙灯、一台高速相机和一系列光纤束。

纤维束的放置方式可同时从七个不同方向捕捉火焰的雪莲花图像，而照相机则以高帧速率记录图像。与其他方法中使用的激光等高度复杂的专业设备相比，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量化了火焰结构、火焰动态和点火过程。

目前，科学家们正在努力提高该方法的实用性和商业化潜力。

这包括在各种火焰条件和配置下测试其可靠性和稳健性，以及改进图像处理和重建算法。此外，他们还希望加强系统集成和自动化，并进一步简化设置。

参考资料：Li, X., et al. (2023) Fiber-based high-speed 3D schlieren imaging. Optics Letters. doi.org/10.1364/OL.496333.