광학 및 포토닉스 뉴스

김미리

새로운 3D 이미징 방법을 위한 실험 설정에는 단일 고속 카메라, 두 개의 크세논 램프 및 일련의 광섬유 묶음이 포함됩니다. 이 장비는 다른 기술에 사용되는 더 복잡하고 전문적인 설정에 비해 상대적으로 저렴합니다. [이미지 : Q. 레이, 노스웨스턴 폴리테크닉 대학교]

Schlieren 이미징은 가스, 공기 및 기타 투명 매체와 같은 보이지 않는 흐름 구조를 시각화할 수 있는 광학 기술입니다. 트럼펫의 충격파, 사람의 손에서 발생하는 열, 헤어드라이어의 따뜻한 공기 분사 등을 포착할 수 있습니다.

이제 중국의 연구원들은 연소 중 기본적인 난류 화염 특성을 이미지화할 수 있는 고속 3D schlieren 접근 방식을 개발했다고 밝혔습니다(Opt. Lett., doi: 10.1364/OL.496333). 이 기술은 다중 카메라 대신 단일 고속 카메라만 사용하고 시간적 해상도를 향상시켜 이전 3D schlieren 방법을 개선합니다.

전통적인 schlieren 이미징은 대상 물체 위나 뒤에서 빛나는 단일 시준 소스의 빛을 사용합니다. 압력이나 온도와 같은 요인으로 인해 발생하는 밀도의 공간적 변화는 굴절률의 변화로 이어져 빔을 왜곡하고 유체 흐름의 2D 이미지를 생성합니다.

최근에는 쉴리렌 측정을 3차원으로 확장하는 데 진전이 있었습니다. 이 시점까지의 대부분의 접근 방식은 다양한 관점에서 흐름 정보를 캡처하고 흐름 특성의 3D 분포를 생성하기 위해 단층 촬영 재구성을 수행하기 위해 여러 대의 카메라가 필요했습니다. 그러나 이러한 방법의 단점은 제한된 시간적, 공간적 해상도, 데이터 처리의 어려움, 높은 장비 비용 등입니다.

최근 연구에서 Qingchun Lei와 그의 동료들은 섬유 이미징, 전통적인 쉴리렌 이미징 및 컴퓨터 단층촬영(CT)을 결합한 새로운 3D 쉴리렌 기술을 시연했습니다. 단일 고속 카메라만 포함된 시스템을 사용하여 수십 킬로헤르츠 이상의 프레임 속도로 7개 방향에서 난류 화염의 슐리렌 이미지를 동시에 캡처할 수 있었습니다.

연소 중에 생성되는 난류 화염의 복잡한 거동. 왼쪽에는 3D 밀도 측정의 두 단면이 표시되어 있습니다. 수평 슬라이스는 Z = 16mm이고 수직 슬라이스는 X = 0mm입니다. 오른쪽에는 혼합물과 연소된 제품 사이의 가장 큰 밀도 구배의 3D 등가면이 있습니다. 격동하는 주름과 불꽃 주머니를 묘사합니다. [이미지 : Q. 레이, 노스웨스턴 폴리테크닉 대학교]

노스웨스턴 폴리테크닉 대학교(Northwestern Polytechnic University)의 연구 저자 레이(Lei)는 연구와 함께 발표한 보도자료에서 “우리가 개발한 고속 이미징 접근 방식은 화염 역학, 점화 과정 및 연소 거동에 대한 자세한 통찰력을 제공합니다.”라고 말했습니다. "이를 통해 발전소, 엔진 및 기타 연소 장치의 설계 및 운영을 개선하는 데 사용할 수 있는 연소 효율성, 오염 물질 배출 및 에너지 생산 프로세스 최적화에 대한 통찰력을 제공하여 환경에 미치는 영향을 줄이고 에너지 효율성을 향상시킬 수 있습니다."

광원은 2개의 크세논 램프, 2개의 팬아웃 섬유 다발, 7개의 시준 렌즈로 구성되었습니다. 섬유 다발은 빛을 7개의 개별 광선으로 분할한 후 렌즈가 확장되어 빛이 화염 영역을 통과하도록 안내합니다. 감지 측면에서 이미징 설정에는 7개의 수렴 렌즈, 들어오는 빛의 일부를 차단하는 7개의 칼날, 두 갈래로 갈라진 이미징 섬유 번들 및 CMOS 고속 카메라가 포함되었습니다.

마지막으로 연구원들은 CT 재구성 및 후처리를 사용하여 3D 밀도 및 속도 정보와 함께 3D schlieren 이미지를 얻었습니다. 이 시스템은 이전 방법보다 더 낮은 비용과 더 빠른 속도로 난류 및 안정적인 층류 예혼합 화염뿐만 아니라 일시적인 동적 점화 과정을 성공적으로 측정했습니다.

Lei는 "이 기술을 통해 촉진된 화염 행동 및 점화 과정에 대한 자세한 이해는 화재가 어떻게 확산되고 진행되며 진압될 수 있는지에 대한 정보를 제공함으로써 보다 효과적인 화재 안전 조치에 기여할 수 있습니다"라고 말했습니다. "이는 화재 예방 전략을 강화하고 건물 설계를 개선하며 궁극적으로 생명을 구하고 재산을 보호하며 전반적인 화재 안전 표준을 향상시키는 데 도움이 될 수 있는 보다 효율적인 화재 진압 시스템을 개발하는 데 사용될 수 있습니다."