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Pesquisadores desenvolveram um novo método para capturar o comportamento complexo de chamas turbulentas produzidas durante a combustão. Os insights fornecidos por essa abordagem de imagem 3D de alta velocidade podem ser usados para desenvolver sistemas de combustão mais eficientes e limpos para carros, aviões, fábricas e usinas de energia.
“A abordagem de imagem de alta velocidade que desenvolvemos fornece informações detalhadas sobre a dinâmica da chama, processos de ignição e comportamento da combustão”, disse Qingchun Lei, da Northwestern Polytechnic University, na China. “Isso pode fornecer informações sobre eficiência de combustão, emissões de poluentes e otimização de processos de produção de energia que podem ser usados para melhorar o projeto e a operação de usinas, motores e outros dispositivos de combustão, levando a um impacto ambiental reduzido e maior eficiência energética”.
Na revista Optica Publishing Group Letras ópticas, os pesquisadores descrevem sua nova técnica que adiciona reconstrução de imagens de alta velocidade e informações 3D à geração de imagens Schlieren, uma técnica bem estabelecida para geração de imagens e medição de fenômenos em fluidos. O novo método pode ser usado para obter quantitativamente a densidade 3D e a distribuição de velocidade de chamas turbulentas.
“A compreensão detalhada do comportamento da chama e dos processos de ignição facilitados por esta técnica também pode contribuir para medidas de segurança contra incêndio mais eficazes, fornecendo informações sobre como os incêndios se espalham, se desenvolvem e podem ser suprimidos”, disse Lei. “Isso pode ser usado para aprimorar as estratégias de prevenção de incêndios, melhorar os projetos de construção e desenvolver sistemas de supressão de incêndios mais eficientes que possam ajudar a salvar vidas, proteger a propriedade e melhorar os padrões gerais de segurança contra incêndios”.
Adicionando velocidade e múltiplas perspectivas
Como a combustão turbulenta é altamente dinâmica e de natureza 3D, é difícil capturá-la quantitativamente de forma suficiente usando métodos de medição como a imagem tradicional de Schlieren. Para resolver esse problema, os pesquisadores combinaram três métodos de imagem: imagem de fibra, imagem de Schlieren e tomografia computadorizada (TC).
A nova técnica usa uma série de feixes de fibras para transmitir luz contendo informações de chama de diferentes ângulos. Cada ângulo de raios de luz forma um sistema schlieren do tipo lente de Toepler que pode gerar imagens das variações de densidade das chamas-alvo. A TC, que é comumente usada em imagens médicas, é então empregada para reconstruir as imagens 3D Schlieren. Finalmente, o pós-processamento das imagens 3D schlieren é usado para obter densidade 3D e informações de velocidade.
“A imagem de fibra permite imagens schlieren simultâneas de alta velocidade de várias perspectivas de maneira flexível e econômica, enquanto a adição de TC permite a reconstrução 3D de chamas alvo com base nas imagens 2D multiangulares”, disse Lei. “A técnica de imagem 3D schlieren de alta velocidade resultante atinge uma taxa de quadros além de dezenas de kHz, o que permite a captura de fenômenos de chamas que mudam rapidamente com resolução temporal excepcional, fornecendo informações detalhadas sobre eventos de chamas transitórias”.
Capturando dinâmicas de chamas complexas
Para validar a eficácia e o desempenho da abordagem de imagem 3D schlieren de alta velocidade, os pesquisadores conduziram experimentos em chamas pré-misturadas turbulentas e laminares, bem como processos de ignição transiente. A configuração experimental incluiu uma única câmera de alta velocidade, duas lâmpadas Xenon e uma série de feixes de fibra. Os feixes de fibra foram posicionados para capturar imagens schlieren das chamas de sete orientações diferentes simultaneamente, enquanto a câmera registrava as imagens em uma alta taxa de quadros. A configuração experimental é relativamente acessível em comparação com equipamentos mais complexos e especializados, como lasers, usados em outras técnicas.
Os resultados dos experimentos mostraram que a abordagem de imagem 3D schlieren de alta velocidade capturou e mediu com sucesso a dinâmica da chama, a estrutura e os processos de ignição.
Os pesquisadores agora trabalham para aumentar a praticidade da técnica e o potencial de comercialização. Isso inclui testar sua robustez e confiabilidade em uma gama mais ampla de condições e configurações de chama, bem como otimizar o processamento de imagem e os algoritmos de reconstrução. Eles também querem melhorar a integração e a automação do sistema e simplificar ainda mais a configuração.
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