Neuigkeiten zu Optik und Photonik

Meeri Kim

Der Versuchsaufbau für das neue 3D-Bildgebungsverfahren umfasst eine einzelne Hochgeschwindigkeitskamera, zwei Xenonlampen und eine Reihe von Faserbündeln. Diese Ausrüstung ist im Vergleich zu den komplexeren und spezialisierteren Einrichtungen, die bei anderen Techniken verwendet werden, relativ erschwinglich. [Bild: Q. Lei, Northwestern Polytechnic University]

Die Schlieren-Bildgebung ist eine optische Technik, mit der unsichtbare Strömungsstrukturen sichtbar gemacht werden können, beispielsweise in Gasen, Luft und anderen transparenten Medien. Es kann Stoßwellen einer Trompete, die von einer menschlichen Hand aufsteigende Hitze oder einen warmen Luftstrahl eines Haartrockners einfangen.

Jetzt sagen Forscher in China, dass sie einen Hochgeschwindigkeits-3D-Schlieren-Ansatz entwickelt haben, der grundlegende turbulente Flammeneigenschaften während der Verbrennung abbilden kann (Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.496333). Die Technik stellt eine Verbesserung gegenüber früheren 3D-Schlieren-Methoden dar, da nur eine einzige Hochgeschwindigkeitskamera anstelle mehrerer verwendet wird und die zeitliche Auflösung erhöht wird.

Bei der herkömmlichen Schlieren-Bildgebung wird Licht von einer einzigen kollimierten Quelle verwendet, das auf oder hinter ein Zielobjekt scheint. Jegliche räumliche Dichteschwankung, die durch Faktoren wie Druck oder Temperatur verursacht wird, führt zu Änderungen des Brechungsindex, verzerrt den Strahl und führt zu einem 2D-Bild des Flüssigkeitsflusses.

In jüngster Zeit wurden Fortschritte bei der Ausweitung der Schlierenmessungen auf drei Dimensionen erzielt. Bisher erforderten die meisten Ansätze mehrere Kameras, um Strömungsinformationen aus verschiedenen Perspektiven zu erfassen, gefolgt von einer tomografischen Rekonstruktion, um eine 3D-Verteilung der Strömungseigenschaften zu erstellen. Zu den Nachteilen dieser Methoden gehören jedoch begrenzte zeitliche und räumliche Auflösungen, Schwierigkeiten bei der Datenverarbeitung und die hohen Kosten für die Ausrüstung.

In der neuesten Forschung demonstrierten Qingchun Lei und seine Kollegen eine neue 3D-Schlierentechnik, die Faserbildgebung, traditionelle Schlierenbildgebung und Computertomographie (CT) kombiniert. Mit ihrem System, das nur eine einzige Hochgeschwindigkeitskamera umfasst, konnten sie gleichzeitig Schlierenbilder turbulenter Flammen aus sieben Ausrichtungen mit einer Bildrate von mehr als zehn Kilohertz aufnehmen.

Das komplexe Verhalten der turbulenten Flammen, die bei der Verbrennung entstehen. Links sind zwei Querschnitte der 3D-Dichtemessung dargestellt; der horizontale Schnitt liegt bei Z = 16 mm und der vertikale Schnitt bei X = 0 mm. Rechts ist die 3D-Isofläche des größten Dichtegradienten zwischen Gemisch und verbranntem Produkt zu sehen. Es zeigt turbulente Falten und Flammentaschen. [Bild: Q. Lei, Northwestern Polytechnic University]

„Der von uns entwickelte Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsansatz liefert detaillierte Einblicke in die Flammendynamik, Zündprozesse und das Verbrennungsverhalten“, sagte Studienautor Lei von der Northwestern Polytechnic University in einer Pressemitteilung zur Forschung. „Dies kann Einblicke in die Verbrennungseffizienz, Schadstoffemissionen und die Optimierung von Energieerzeugungsprozessen liefern, die zur Verbesserung der Konstruktion und des Betriebs von Kraftwerken, Motoren und anderen Verbrennungsgeräten genutzt werden könnten, was zu einer geringeren Umweltbelastung und einer verbesserten Energieeffizienz führt.“

Die Lichtquelle bestand aus zwei Xenonlampen, zwei Fan-Out-Faserbündeln und sieben Kollimationslinsen. Die Faserbündel spalteten das Licht in sieben Einzelstrahlen auf, woraufhin sich die Linse ausdehnte und das Licht durch den Flammenbereich leitete. Auf der Detektionsseite umfasste der Bildgebungsaufbau sieben Sammellinsen, sieben Messerkanten, um einen Teil des einfallenden Lichts zu blockieren, ein gegabeltes Bildfaserbündel und eine CMOS-Hochgeschwindigkeitskamera.

Schließlich nutzten die Forscher die CT-Rekonstruktion und Nachbearbeitung, um 3D-Schlierenbilder zusammen mit 3D-Dichte- und Geschwindigkeitsinformationen zu erhalten. Das System hat sowohl turbulente als auch stabile laminare vorgemischte Flammen sowie den transienten, dynamischen Zündprozess erfolgreich gemessen, und das zu geringeren Kosten und mit höherer Geschwindigkeit als frühere Methoden.

„Das durch diese Technik ermöglichte detaillierte Verständnis des Flammenverhaltens und der Zündprozesse kann auch zu wirksameren Brandschutzmaßnahmen beitragen, indem es Informationen darüber liefert, wie sich Brände ausbreiten, entwickeln und unterdrückt werden können“, sagte Lei. „Dies kann genutzt werden, um Brandschutzstrategien zu verbessern, Gebäudedesigns zu verbessern und effizientere Feuerlöschsysteme zu entwickeln, die letztendlich dazu beitragen könnten, Leben zu retten, Eigentum zu schützen und die allgemeinen Brandschutzstandards zu verbessern.“

Veröffentlichungsdatum: 03. August 2023