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Meeri Kim

L'apparato sperimentale per il nuovo metodo di imaging 3D comprende una singola telecamera ad alta velocità, due lampade allo xeno e una serie di fasci di fibre. Tutte queste apparecchiature sono relativamente convenienti rispetto alla configurazione più complessa e specializzata utilizzata in altre tecniche. [Immagine: Q. Lei, Northwestern Polytechnic University]

L'imaging Schlieren è una tecnica ottica in grado di visualizzare strutture di flusso invisibili, come quelle nei gas, nell'aria e in altri mezzi trasparenti. Può catturare le onde d'urto di una tromba, il calore che sale da una mano umana o un getto d'aria calda da un asciugacapelli.

Ora, i ricercatori in Cina affermano di aver sviluppato un approccio schlieren 3D ad alta velocità in grado di immaginare le proprietà turbolente fondamentali della fiamma durante la combustione (Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.496333). La tecnica migliora i precedenti metodi schlieren 3D utilizzando solo una singola telecamera ad alta velocità anziché molteplici, oltre a potenziare la risoluzione temporale.

L'imaging schlieren tradizionale utilizza la luce proveniente da un'unica sorgente collimata che brilla sopra o dietro un oggetto target. Qualsiasi variazione spaziale della densità causata da fattori come la pressione o la temperatura porta a cambiamenti nell'indice di rifrazione, distorcendo il raggio e producendo un'immagine 2D del flusso del fluido.

Recentemente sono stati compiuti progressi nell'estendere le misurazioni Schlieren alle tre dimensioni. La maggior parte degli approcci fino a questo punto hanno richiesto diverse telecamere per acquisire informazioni sul flusso da diverse prospettive, seguite dalla ricostruzione tomografica per creare una distribuzione 3D delle proprietà del flusso. Tuttavia, gli svantaggi di questi metodi includono risoluzioni temporali e spaziali limitate, difficoltà nell'elaborazione dei dati e l'alto costo delle apparecchiature.

Nell’ultima ricerca, Qingchun Lei e i suoi colleghi hanno dimostrato una nuova tecnica Schlieren 3D che combina l’imaging delle fibre, l’imaging Schlieren tradizionale e la tomografia computerizzata (CT). Con il loro sistema, che include solo una singola telecamera ad alta velocità, sono riusciti a catturare simultaneamente immagini schlieren di fiamme turbolente da sette orientamenti con un frame rate superiore alle decine di kilohertz.

Il complesso comportamento delle fiamme turbolente prodotte durante la combustione. A sinistra sono mostrate due sezioni trasversali della misurazione della densità 3D; la fetta orizzontale è a Z = 16 mm e la fetta verticale a X = 0 mm. A destra è rappresentata l'isosuperficie 3D del gradiente di densità maggiore tra la miscela e il prodotto bruciato. Raffigura rughe turbolente e sacche di fiamma. [Immagine: Q. Lei, Northwestern Polytechnic University]

“L’approccio di imaging ad alta velocità che abbiamo sviluppato fornisce approfondimenti dettagliati sulla dinamica della fiamma, sui processi di accensione e sul comportamento della combustione”, ha affermato l’autore dello studio Lei, della Northwestern Polytechnic University, in un comunicato stampa che accompagna la ricerca. “Ciò può fornire informazioni sull’efficienza della combustione, sulle emissioni inquinanti e sull’ottimizzazione dei processi di produzione di energia che potrebbero essere utilizzate per migliorare la progettazione e il funzionamento di centrali elettriche, motori e altri dispositivi di combustione, portando a una riduzione dell’impatto ambientale e a una maggiore efficienza energetica”.

La sorgente luminosa era costituita da due lampade allo xeno, due fasci di fibre a ventaglio e sette lenti collimatrici. I fasci di fibre dividono la luce in sette raggi individuali, dopo di che le lenti si espandono e guidano la luce a passare attraverso l'area della fiamma. Dal punto di vista del rilevamento, la configurazione dell'immagine comprendeva sette lenti convergenti, sette bordi taglienti per bloccare parte della luce in entrata, un fascio di fibre biforcate per l'immagine e una fotocamera CMOS ad alta velocità.

Infine, i ricercatori hanno utilizzato la ricostruzione e la postelaborazione TC per ottenere immagini schlieren 3D, insieme a informazioni 3D su densità e velocità. Il sistema ha misurato con successo sia le fiamme premiscelate laminari turbolente e stabili, sia il processo di accensione dinamico e transitorio, a un costo inferiore e a una velocità maggiore rispetto ai metodi precedenti.

“La comprensione dettagliata del comportamento della fiamma e dei processi di accensione facilitata da questa tecnica può anche contribuire a misure di sicurezza antincendio più efficaci fornendo informazioni su come gli incendi si diffondono, si sviluppano e possono essere soppressi”, ha affermato Lei. “Questo può essere utilizzato per migliorare le strategie di prevenzione degli incendi, migliorare la progettazione degli edifici e sviluppare sistemi di soppressione degli incendi più efficienti che potrebbero in definitiva aiutare a salvare vite umane, proteggere proprietà e migliorare gli standard generali di sicurezza antincendio”.