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Meeri Kim

La configuration expérimentale de la nouvelle méthode d’imagerie 3D comprend une seule caméra haute vitesse, deux lampes au xénon et une série de faisceaux de fibres. Cet équipement est relativement abordable par rapport à la configuration plus complexe et spécialisée utilisée dans d’autres techniques. [Image : Q. Lei, Université polytechnique du Nord-Ouest]

L'imagerie de Schlieren est une technique optique capable de visualiser des structures d'écoulement invisibles, telles que celles des gaz, de l'air et d'autres milieux transparents. Il peut capter les ondes de choc d’une trompette, la chaleur s’élevant d’une main humaine ou le jet d’air chaud d’un sèche-cheveux.

Aujourd'hui, des chercheurs chinois affirment avoir développé une approche de projection 3D à grande vitesse capable d'imager les propriétés fondamentales de la flamme turbulente pendant la combustion (Opt. Lett., doi : 10.1364/OL.496333). La technique améliore les méthodes de visualisation 3D précédentes en utilisant une seule caméra haute vitesse au lieu de plusieurs, ainsi qu'en augmentant la résolution temporelle.

L'imagerie Schlieren traditionnelle utilise la lumière provenant d'une seule source collimatée brillant sur ou derrière un objet cible. Toute variation spatiale de densité causée par des facteurs tels que la pression ou la température entraîne des modifications de l'indice de réfraction, déformant le faisceau et aboutissant à une image 2D de l'écoulement du fluide.

Récemment, des progrès ont été réalisés dans l'extension des mesures de Schlieren à trois dimensions. Jusqu'à présent, la plupart des approches nécessitaient plusieurs caméras pour capturer les informations sur le flux sous différentes perspectives, suivies d'une reconstruction tomographique pour créer une distribution 3D des propriétés du flux. Cependant, les inconvénients de ces méthodes incluent des résolutions temporelles et spatiales limitées, des difficultés de traitement des données et le coût élevé de l'équipement.

Dans la dernière recherche, Qingchun Lei et ses collègues ont démontré une nouvelle technique de schlieren 3D qui combine l'imagerie par fibre, l'imagerie de schlieren traditionnelle et la tomodensitométrie (CT). Avec leur système, qui ne comprend qu'une seule caméra haute vitesse, ils pourraient capturer simultanément les images schlieren de flammes turbulentes dans sept orientations avec une fréquence d'images supérieure à des dizaines de kilohertz.

Le comportement complexe des flammes turbulentes produites lors de la combustion. À gauche, deux coupes transversales de la mesure de densité 3D ; la tranche horizontale est à Z = 16 mm et la tranche verticale à X = 0 mm. A droite se trouve l'isosurface 3D du plus grand gradient de densité entre le mélange et le produit brûlé. Il représente des rides turbulentes et des poches de flammes. [Image : Q. Lei, Université polytechnique du Nord-Ouest]

"L'approche d'imagerie à grande vitesse que nous avons développée fournit des informations détaillées sur la dynamique des flammes, les processus d'allumage et le comportement de combustion", a déclaré l'auteur de l'étude, Lei, de la Northwestern Polytechnic University, dans un communiqué de presse accompagnant la recherche. "Cela peut fournir des informations sur l'efficacité de la combustion, les émissions de polluants et l'optimisation des processus de production d'énergie qui pourraient être utilisées pour améliorer la conception et le fonctionnement des centrales électriques, des moteurs et autres dispositifs de combustion, conduisant ainsi à une réduction de l'impact environnemental et à une efficacité énergétique améliorée."

La source lumineuse se composait de deux lampes au xénon, de deux faisceaux de fibres en éventail et de sept lentilles collimatrices. Les faisceaux de fibres divisent la lumière en sept rayons individuels, après quoi les lentilles se dilatent et guident la lumière pour qu'elle traverse la zone de la flamme. Du côté de la détection, la configuration d'imagerie comprenait sept lentilles convergentes, sept bords de couteau pour bloquer une partie de la lumière entrante, un faisceau de fibres d'imagerie bifurquées et une caméra CMOS haute vitesse.

Enfin, les chercheurs ont utilisé la reconstruction et le post-traitement CT pour obtenir des images 3D de Schlieren, ainsi que des informations 3D sur la densité et la vitesse. Le système a mesuré avec succès les flammes prémélangées laminaires turbulentes et stables, ainsi que le processus d'allumage dynamique et transitoire, à un coût inférieur et à une vitesse plus élevée que les méthodes précédentes.

"La compréhension détaillée du comportement des flammes et des processus d'allumage facilitée par cette technique peut également contribuer à des mesures de sécurité incendie plus efficaces en fournissant des informations sur la manière dont les incendies se propagent, se développent et peuvent être supprimés", a déclaré Lei. « Cela peut être utilisé pour améliorer les stratégies de prévention des incendies, améliorer la conception des bâtiments et développer des systèmes d'extinction d'incendie plus efficaces qui pourraient, à terme, contribuer à sauver des vies, à protéger les propriétés et à améliorer les normes globales de sécurité incendie. »