新的高速成像方法捕捉燃烧火焰的3D细节

研究人员开发了一种新方法来捕获燃烧过程中产生的湍流火焰的复杂行为。这种高速3D成像方法提供的见解可用于为汽车、飞机、工厂和发电厂开发更高效、更清洁的燃烧系统。

“我们开发的高速成像方法提供了对火焰动力学、点火过程和燃烧行为的详细了解，”中国西北工业大学的雷庆春说。“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《OpticsLetters》中，研究人员描述了他们的新技术，该技术将高速图像重建和3D信息添加到纹影成像中，纹影成像是一种成熟的流体现象成像和测量技术。新方法可用于定量获得湍流火焰的3D密度和速度分布。

雷说：“这项技术有助于详细了解火焰行为和点火过程，还可以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。”“这可以用来加强防火策略，改进建筑设计并开发更有效的灭火系统，最终有助于拯救生命，保护财产并提高整体消防安全标准。”

增加速度和多种视角

由于湍流燃烧本质上是高度动态和3D的，因此使用传统纹影成像等测量方法很难充分定量地捕获它。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、纹影成像和计算机断层扫描(CT)。

这项新技术使用一系列光纤束从不同角度传输包含火焰信息的光。每个角度的光线形成一个托普勒透镜型纹影系统，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来重建3D纹影图像。最后，使用3D纹影图像的后处理来获取3D密度和速度信息。

“光纤成像能够以灵活且经济高效的方式从多个角度进行高速、同步纹影成像，同时添加CT可以基于多角度2D图像对目标火焰进行3D重建，”Lei说。“由此产生的高速3D纹影成像技术可实现超过数十kHz的帧速率，从而能够以卓越的时间分辨率捕获快速变化的火焰现象，从而提供对瞬态火焰事件的详细了解。”

捕捉复杂的火焰动态

为了验证高速3D纹影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。实验装置包括一个高速相机、两个氙灯和一系列光纤束。

纤维束被定位为同时从七个不同方向捕获火焰的纹影图像，同时相机以高帧速率记录图像。与其他技术中使用的更复杂和专业的设备(例如激光器)相比，实验装置相对便宜。

实验结果表明，高速3D纹影成像方法成功捕获并测量了火焰动力学、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。他们还希望提高系统集成度和自动化程度，并进一步简化设置。