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キム・メリ

新しい 3D イメージング手法の実験セットアップには、1 台の高速カメラ、2 つのキセノン ランプ、および一連のファイバー束が含まれています。 この装置は、他の技術で使用されるより複雑で特殊なセットアップに比べて、比較的手頃な価格です。 [画像: Q. Lei、ノースウェスタン工科大学]

シュリーレン イメージングは​​、気体、空気、その他の透明な媒体中の目に見えない流れ構造を視覚化できる光学技術です。 トランペットからの衝撃波、人間の手から立ち上る熱、ヘアドライヤーからの温風の噴流などを捉えることができます。

現在、中国の研究者らは、燃焼中の基本的な乱流火炎特性を画像化できる高速 3D シュリーレン アプローチを開発したと述べています (Opt. Lett.、doi: 10.1364/OL.496333)。 この技術は、複数の高速カメラではなく単一の高速カメラのみを使用することで以前の 3D シュリーレン法を改良し、時間解像度も高めています。

従来のシュリーレン イメージングでは、単一の平行光源からの光が対象物体上または対象物体の背後を照らします。 圧力や温度などの要因によって密度が空間的に変化すると、屈折率が変化し、ビームが歪み、流体の流れの 2D 画像が生成されます。

最近、シュリーレン測定を 3 次元に拡張する進歩が見られました。 これまでのほとんどのアプローチでは、複数のカメラでさまざまな視点から流れの情報を取得し、その後流れ特性の 3D 分布を作成するために断層撮影再構成が必要でした。 ただし、これらの方法の欠点としては、時間的および空間的解像度が限られていること、データ処理の困難さ、および機器のコストが高いことが挙げられます。

最新の研究で、Qingchun Lei らは、ファイバー イメージング、従来のシュリーレン イメージング、コンピューター断層撮影 (CT) を組み合わせた新しい 3D シュリーレン技術を実証しました。 高速カメラ 1 台のみを備えたシステムを使用すると、乱流炎のシュリーレン画像を 7 方向から同時に数十 kHz を超えるフレーム レートで撮影できました。

燃焼中に生成される乱流炎の複雑な挙動。 左側に 3D 密度測定の 2 つの断面図を示します。 水平スライスは Z = 16 mm、垂直スライスは X = 0 mm です。 右側は、混合物と燃焼生成物の間の最大密度勾配の 3D 等値面です。 乱流のしわと炎のポケットが表現されています。 [画像: Q. Lei、ノースウェスタン工科大学]

「私たちが開発した高速イメージング手法は、火炎力学、点火プロセス、燃焼挙動についての詳細な洞察を提供します」と研究著者であるノースウェスタン工科大学のレイ氏は研究に付随するプレスリリースで述べた。 「これにより、燃焼効率、汚染物質の排出、エネルギー生産プロセスの最適化に関する洞察が得られ、発電所、エンジン、その他の燃焼装置の設計と運用を改善するために使用でき、環境への影響の削減とエネルギー効率の向上につながります。」

光源は 2 つのキセノン ランプ、2 つのファンアウト ファイバー束、および 7 つのコリメート レンズで構成されていました。 ファイバー束は光を 7 つの個別の光線に分割し、その後レンズが拡大して光が炎の領域を通過するように導きます。 検出側のイメージング設定には、7 つの収束レンズ、入射光の一部をブロックする 7 つのナイフエッジ、分岐イメージング ファイバー束、および CMOS 高速カメラが含まれていました。

最後に、研究者らは CT 再構成と後処理を使用して、3D シュリーレン画像と 3D 密度および速度情報を取得しました。 このシステムは、乱流および安定した層流予混合火炎の両方と、過渡的な動的点火プロセスを、従来の方法よりも低コストかつ高速で測定することに成功しました。

「この技術によって促進される炎の挙動と発火プロセスの詳細な理解は、火災がどのように広がり、発展し、抑制できるかについての情報を提供することで、より効果的な火災安全対策にも貢献できます」とレイ氏は述べています。 「これは、防火戦略を強化し、建物の設計を改善し、より効率的な消火システムを開発するために使用でき、最終的には人命を救い、財産を保護し、全体的な火災安全基準を向上させることができます。」