La caméra laser ultra-rapide image la combustion en temps réel

Une caméra laser ultra-rapide à un coup a photographié la façon dont les hydrocarbures brûlent avec le plus de détails à ce jour. En plus d'apporter un éclairage nouveau sur les processus qui se produisent lors de la combustion, la technique - développée par une équipe de physiciens et d'ingénieurs du California Institute of Technology aux États-Unis, le Université de Göteborg en Suède et Université Friedrich Alexander Erlangen-Nuremberg en Allemagne – pourrait aider à percer des mystères fondamentaux de la physique moderne tels que le plasma chaud, la sonoluminescence et la fusion nucléaire, selon les chercheurs. La technologie pourrait également être utile pour l'imagerie biomédicale et pour observer comment la lumière se propage dans les matériaux en temps réel.

Les molécules d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et les particules de suie produites lors de la combustion des hydrocarbures ont des durées de vie extrêmement courtes (de l'ordre de la nanoseconde) et les réactions de combustion en général sont très rapides et ponctuelles, c'est-à-dire qu'elles ne se répètent pas. L'étude de la combustion nécessite donc une imagerie ultra-rapide pour capter ces processus.

Les chercheurs, dirigés par Yogeswar Nath Mishra, a créé une caméra laser capable de faire exactement cela en produisant des vidéos à une vitesse record de 12.5 milliards d'images par seconde. C'est au moins mille fois plus rapide que les techniques actuelles à grande vitesse qui sont limitées à un million d'images par seconde (fps). Le nouvel appareil fonctionne en photographiant un matériau dans une couche bidimensionnelle à l'aide d'une technique appelée photographie ultrarapide compressée par feuille laser à un coup (LS-CUP).

La méthode est basée sur le déclenchement d'une seule impulsion laser d'une durée d'une nanoseconde sur un échantillon, contrairement aux techniques précédentes qui utilisaient plusieurs impulsions pour atteindre un million de fps. Ces impulsions peuvent modifier les propriétés physiques et optiques de la suie lorsque le laser ajoute de l'énergie et de la chaleur au système.

"La technique nous permet d'extraire des paramètres critiques de la dynamique rapide se produisant pendant la combustion, tels que les durées de vie de fluorescence des molécules de PAH (qui sont dangereuses pour l'environnement), la taille des nanoparticules de suie, la taille des grappes de suie et la température des particules", explique Mishra. "Nous avons pour la première fois pris une image 2D unique des HAP à 1.25 milliard d'ips et, à partir des images de diffusion laser, nous avons obtenu des cartes de la taille de ces hydrocarbures."

Combinaison de deux modalités d'imagerie

Dans cette étude, l'équipe a combiné deux modalités d'imagerie : l'imagerie par feuille laser (LS) et la photographie ultrarapide compressée (CUP). "Une feuille laser coupe essentiellement un plan 2D d'un échantillon 3D", explique Mishra. « Il fournit donc un profil spatial et temporel de la dynamique se produisant dans le plan sondé, par exemple la turbulence et l'interaction entre différentes espèces chimiques. Pour effectuer une imagerie en une seule prise, nous appliquons un algorithme de détection compressé sur une image de caméra à balayage standard », explique-t-il. Monde de la physique.

La caméra peut filmer des espèces chimiques comme les HAP et la suie en temps réel, de l'ordre des nanosecondes aux sous-nanosecondes, ajoute Mishra. "Avec un milliard de fps, il est possible de voir comment la suie évolue à partir du PAH. Un autre avantage est que nous pouvons enregistrer deux espèces en même temps car la caméra dispose de deux canaux à grande vitesse, ce qui est extrêmement utile pour l'imagerie quantitative.

Le débit de carburant, les fluctuations de pression et de chaleur entraînent des oscillations de combustion dans les moteurs de fusée

Selon les chercheurs, qui rapportent leurs travaux en Lumière: science et applications, la nouvelle caméra pourrait être combinée avec des méthodes d'imagerie planaire préexistantes pour la recherche sur la combustion. Outre ces études, LS-CUP pourrait également être utilisé pour des observations en temps réel de la combustion de l'hydrogène, de la combustion assistée par plasma et de la combustion des poudres métalliques, disent-ils.

En ce qui concerne les travaux futurs, Mishra dit que lui et ses collègues vont maintenant chercher à effectuer une imagerie ultrarapide en temps réel pour le dimensionnement des molécules de PAH en utilisant des impulsions de durée femtoseconde en mettant en œuvre une anisotropie de fluorescence à deux canaux avec leur schéma actuel. « Nous étudions également l'impact d'une fluence laser élevée sur l'oxydation et la graphitisation de la suie, des processus qui pourraient être essentiels à la fabrication de nanomatériaux à base de carbone pour une multitude d'applications technologiques », explique Mishra.

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• La source: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-camera-images-combustion-in-real-time/