Le monde de la recherche est en ébullition suite à la conception d’une méthode innovante pour l’analyse des flammes turbulentes produites lors de la combustion. Ces découvertes, rendues possibles grâce à cette nouvelle approche d’imagerie 3D haute vitesse, pourraient être utilisées pour améliorer l’efficacité et la propreté des systèmes de combustion des voitures, des avions, des usines et des centrales électriques.
« Notre approche d’imagerie à haute vitesse offre un aperçu détaillé des dynamiques de flammes, des processus d’allumage et du comportement de la combustion, » a indiqué Qingchun Lei de l’Université Polytechnique du Nord-Ouest en Chine.
« Cela peut donner un aperçu de l’efficacité de la combustion, des émissions de polluants et de l’optimisation des processus de production d’énergie qui pourraient être utilisés pour améliorer la conception et le fonctionnement des centrales électriques, des moteurs et d’autres dispositifs de combustion, entraînant une réduction de l’impact environnemental et une amélioration de l’efficacité énergétique.«
Dans le journal Optics Letters du groupe de publication Optica, les chercheurs décrivent leur nouvelle technique qui ajoute une reconstruction d’image haute vitesse et une information 3D à l’imagerie schlieren, une technique bien établie pour l’imagerie et la mesure des phénomènes dans les fluides. Cette nouvelle méthode peut être utilisée pour obtenir quantitativement la distribution en 3D de la densité et de la vitesse des flammes turbulentes.
La prévention des incendies : un bénéfice supplémentaire
« 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 expliqué Qingchun Lei. « Cela peut être utilisé pour améliorer les stratégies de prévention des incendies, améliorer les conceptions des bâtiments et développer des systèmes de suppression des incendies plus efficaces qui pourraient finalement aider à sauver des vies, protéger les biens et améliorer les normes de sécurité incendie en général.«
Une combinaison de techniques d’imagerie pour une vision en 3D
La combustion turbulente, étant hautement dynamique et 3D par nature, il est difficile de la capturer de manière quantitative avec des méthodes de mesure traditionnelles comme l’imagerie schlieren.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont combiné trois méthodes d’imagerie : l’imagerie par fibre, l’imagerie schlieren et la tomographie informatisée (CT).
La nouvelle technique utilise une série de faisceaux de fibres pour transmettre la lumière contenant des informations sur la flamme depuis différents angles. Chaque angle de rayons de lumière forme un système schlieren de type lentille de Toepler qui peut imager les variations de densité des flammes cibles. Le CT, couramment utilisé en imagerie médicale, est alors utilisé pour reconstruire les images schlieren en 3D. Enfin, le post-traitement des images schlieren 3D est utilisé pour obtenir des informations sur la densité et la vitesse en 3D.
La validation par l’expérimentation
Pour valider l’efficacité et les performances de l’approche d’imagerie schlieren 3D à haute vitesse, les chercheurs ont mené des expériences sur des flammes pré-mélangées turbulentes et laminaires ainsi que sur des processus d’allumage transitoires.
L’installation expérimentale comprenait une seule caméra à haute vitesse, deux lampes au xénon et une série de faisceaux de fibres. Les faisceaux de fibres étaient positionnés pour capturer les images schlieren des flammes à partir de sept orientations différentes simultanément tandis que la caméra enregistrait les images à un taux élevé de trames par seconde.
Les résultats des expériences ont montré que l’approche d’imagerie schlieren 3D à haute vitesse a réussi à capturer et à mesurer les dynamiques de la flamme, la structure et les processus d’allumage. Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer la praticité et le potentiel de commercialisation de la technique. Cela inclut de tester sa robustesse et sa fiabilité sur une gamme plus large de conditions et de configurations de flammes, ainsi que d’optimiser les algorithmes de traitement et de reconstruction d’images.
En synthèse
Cette nouvelle technique de capture des dynamiques complexes des flammes turbulentes représente une avancée significative. Les chercheurs peuvent désormais visualiser en 3D ces phénomènes, améliorant ainsi la compréhension des processus de combustion et de la propagation des flammes. Cette technologie a le potentiel d’impacter de nombreux secteurs, allant de l’automobile à l’énergie, et peut contribuer à renforcer les mesures de sécurité incendie.
Légende illustration principale : Le dispositif expérimental comprenait une seule caméra à grande vitesse, deux lampes au xénon et une série de faisceaux de fibres. Cet équipement est relativement abordable par rapport aux équipements plus complexes et spécialisés, tels que les lasers, utilisés dans d’autres techniques.
Article : X. Li, Q. Lei, W. Bao, X. Li, W. Fan, « Fiber-based high-speed 3D schlieren imaging », Opt. Lett., vol. 48, numéro 15, pp. 4081-4084 (2023). DOI: https://doi.org/10.1364/OL.496333
