쉴리렌, 투명한 매체의 밀도구배 시각화하다
Vision Research
과학자들은 눈에 보이지 않는 흐름, 내부의 밀도 구배를 시각화하기 위해, 비 침입적 시험방법인, 쉴리렌 촬영을 사용한다. 쉴리렌 촬영은 연소실 내의 가스 상호 작용과 풍동기 내의 항공기 날개 주위의 공기 이동을 시각화하는 실질적인 방법이다. 지난 10년 동안 카메라의 속도와 민감도가 크게 향상되어 쉴리렌 이미지의 품질과 이미지를 얻을 수 있는 속도가 크게 향상되었다. 이 발전된 촬영 기술은 이제 매우 동적인 프로세스에 대한 상세한 이미지를 제공할 수 있지만, 고품질 데이터를 얻으려면 애플리케이션에 가장 적합한 고속 카메라를 선택하고 광학 구성을 주의 깊게 최적화해야 한다.
투명한 매질에서의 변경사항 캡처
쉴리렌 영상은 공기, 물, 유리와 같은 투명한 매체에서 일반적으로 보이지 않는 밀도 구배 또는 ‘schliere’를 포착하는 여러 가지 형태로 제공된다. 쉴리렌 촬영은 일반적으로 실험실 기반의 심층 연구에 사용되는 반면, 섀도우 그라피(shadowgraphy)는 운반하기가 쉽고 손상될 가능성이 적기 때문에 보통 현장 연구에서 많이 사용된다.
공기 또는 가스와 같은 매체의 밀도 구배 또는 영역상의 밀도의 공간적 변화는 압력 또는 온도와 같은 환경 요인에 의해 결정된다. 빛의 광선이 매체에 부딪힐 때 이 밀도 구배의 변화로 인해 이미지화할 수 있는 방향으로 빛이 변한다. 쉴리렌 촬영에 사용되는 가장 일반적인 구성은 z형 시스템이다. 이 설정에는 두 개의 포물선 모양의 거울, 점 광원, 카메라 및 나이프 엣지가 포함된다(그림1).
그것은 최고 수준의 이미지 품질을 제공하며 섀도우 그래프 시스템 또는 하이브리드 섀도우 그래프/쉴리렌 시스템으로 신속하게 변환할 수 있다.
쉴리렌 촬영은 공기 역학, 유체 역학, 열교환 및 기타 공정을 검사하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 쉴리렌 촬영은 양초 열(그림2), 헬륨 가스 흐름(그림3), 및 충격파 형성(그림4)에서 열 기둥을 조사하는 데 사용할 수 있다.
고품질 데이터 얻기
쉴리렌 촬영은 작은 광원을 필요로 하는 접근 방식으로 매우 빠른 과정을 캡처하므로 민감한 고속카메라를 사용하는 것이 중요한다. 쉴리렌 이미지가 자연스럽게 고대조이기 때문에 높은 다이나믹 레인지는 불필요하다. 색조 커브 사용자 정의가 있는 카메라를 사용하면 사용자가 최상의 회색조 데이터를 추출할 수 있으며 고품질 이미지를 만드는 데 핵심이 될 수 있다. 또한 촬영 중에 카메라 팬을 끄면 카메라 센서에서 방출되는 열이 쉴리렌 필드로 들어가서 데이터의 온전성이 손상된다.
쉴리렌 이미지를 얻는 데 사용된 광학 구성은 약간의 변화에 매우 민감하다. 예를 들어, 나이프 에지의 위치가 수 마이크론으로 변경되거나 주변 온도가 몇 도씩 변경되면 이미지의 밝기엔 큰 영향을 미쳐 시스템의 민감도가 떨어지며 수집된 데이터의 품질이 저하될 수 있다. 이 감도 변화는 고속 카메라를 비교할 때 쉴리렌 시스템을 나쁜 시나리오로 만드는 요인이다. 카메라를 전환하는 간단한 동작으로 인해 이미지가 변경될 수 있다. 이러한 민감도 때문에 특정 애플리케이션에 대한 구성변경이 필요한지 여부를 결정하기 전에 여러 가지 쉴리렌 시험을 실행하는 것이 중요한다.
일관성이 쉴리렌 시험의 핵심이기 때문에 고속카메라는 이미지 데이터를 신속하게 저장할 수 있어야 하므로, 한 번의 실험 세션에서 여러 번의 시험을 수행하고 광학 구성 요소의 온도 변화, 대상물 변형, 또는 움직임의 발생을 줄일 수 있다. 플래시 메모리 또는 10Gb 이더넷과 같은 데이터 관리 솔루션은 이러한 변수를 제거함으로써 데이터의 온전성을 보장한다.
비행기 날개의 충격 모션 시각화
전통적인 z형 시스템의 변형은 특정 유형의 정보를 얻거나 특정 현상을 연구하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 필드 폭이 좁은 특수 쉴리렌 촬영 시스템은 buffeting으로 알려진 항공기 유형의 불안정성을 연구하는 데 이상적이다. 이러한 구조적 진동은 공기 역학적인 행동에 영향을 미치고 비행영역선도를 제한하는 항공기의 속도 또는 공격 각이 증가함에 따라 심화된다.
연구원들은 비행기 날개에서 충격을 받는 충격 운동을 조사하기 위해 충격파뿐만 아니라 충격 진동을 유지하는 데 도움이 되는 압력파의 전파를 포착해야 했다. 전통적인 쉴리렌 설정은 빛 경로의 전체 길이에 대한 감도가 공기 흐름의 3차원 성으로 인해 충격 및 압력 파동의 움직임을 흐리게 하기 때문에 이 경우에는 제대로 작동하지 않는다. 연구원들은 원하지 않는 3차원 유동 구조의 캡처를 줄이기 위해 피사계 심도가 아주 좁은 시스템을 만들었다.
실험 구성은 2차원 광원 배열을 생성하는 다수의 교차하는 어두운 대역 및 투명한 조리개의 소스 그리드를 조명하기 위해 연속적인 빛을 확산시켰다. 프레넬 렌즈들, 큰 조리개와 짧은 초점 거리를 가진 특수 렌즈들이, 소스 그리드 앞에 배치되어 집광 효율을 높였다. 대구경 촬영 렌즈가 장착된 Phantom v710 CMOS 카메라를 7,000 fps < 로 충격 진동을 캡처하여, 20μs의 노출 시간으로 진행된 고속 촬영은 쉴리렌 촬영으로 보이지 않는 것을 보여준다.
위의 모든 이미지들은 RMIT 대학 Schlieren 시스템에서 작성했다. 단일 실험에서 8,345 개의 이미지들을 기록했다.
연구원들은 이 설정을 사용하여 충격 떨림을 제어하는 데 자주 사용되는 수동 장치에 의해 떨림이 어떻게 영향을 받았는지 시각화했다(그림5). 그들은 와류 발생기가 설치되었을 때 비행기 날개 주변의 흐름에서 3차원성이 증가하는 것을 관찰했는데, 좁은 피사계 심도가 이 경우에서 충격 모션의 특성들을 정확하게 포착하는 데 중요하다는 것을 알았다. 초점을 맞춘 쉴리렌 시각화는 와류 발생기 없이 5도 이상의 타격 각도에서 충격 떨림이 나타나는 것을 보여주었다. 그러나 와류 발생기가 설치되었을 때, 공격 각도가 6도 이상인 경우에도, 떨림에 의한 타격 진동이 사라졌다. 그 새로운 발견으로 뷔페 물리학에 대한 통찰력과 항공기 공기 역학을 개선하기 위해 어떻게 제어할 수 있는지에 대한 통찰력을 갖게 되었다.
초음속 흐름에서 배경 지향적 쉴리렌 측정하기
전통적인 쉴리렌 촬영 기술은 매우 상세한 이미지들을 제공할 수 있지만, 정량적 측정을 위해 이러한 이미지들을 사용하는 것이 쉬운 것은 아니다. 배경 지향 쉴리렌(BOS) 촬영으로 알려진 쉴리렌 촬영의 최신 변형들 중 하나가 이러한 요구를 충족시킬 수 있다. 시장에 4K 해상도(4,096 x 2,160픽셀)의 새로운 영화 촬영 카메라가 나왔을 때, 연구원은 BOS와 함께 사용하여 이전에 보다 더 높은 해상도로 정확한 정량 밀도 측정이 가능한지 테스트했다. 이러한 해상도 요구 사항은 이후 과학 카메라에서 사용할 수 있게 되었다.
전통적인 쉴리렌 촬영과 마찬가지로 BOS는 밀도 구배의 변화와 함께 발생하는 광선의 변화를 촬영한다. 그러나 BOS는 훨씬 간단한 실험 구성을 사용하기 때문에 배경과 디지털 카메라만이 필요하다. 감도 처리를 위해 나이프 엣지를 사용하는 대신 BOS는 줄무늬가 존재하기 전후의 아주 동일한 장면의 교정 이미지에 굴절에서 아주 조금 지각할 만한 차이를 가진 이미지를 비교한다.
실험적 테스트를 위해 연구원들은 고속 Phantom Flex4K 카메라를 사용하여 교차 흐름에서의 제트 배기로 생성된 상호 작용 및 역학의 BOS측정을 획득했다. 이러한 유형의 유동장은 화산 분출과 같은 자연적 과정뿐만 아니라 대기로 배출되는 굴뚝과 같은 산업 환경에서 종종 발견된다. 그러나 이 흐름 시나리오는 유동박리, 회전 운동, 난기류 및 초음속 충격 때문에 분석하기 어려울 수 있다.
연구원들은 바람 터널을 가동한 후, 밸브를 열고 4,096 x 2,160 픽셀의 해상도에서 초당 1,000장으로 이미지를 캡처하는 카메라로 상호 작용을 포착하려고 시도했다.
그들은 밸브가 열리기 전에 프리 스트림 조건에서 참조 이미지를 캡처했다. 배경은 펄스 지속 시간이 50ns인 640nm 레이저로 조명했다. 이 실험들은 4K고속카메라를 사용하여 과학자들이 다양한 자연 및 산업 프로세스를 더 잘 이해하기 위해 연구하는 흐름 시나리오인, 교차 흐름에서 제트 배기로 생성된 상호 작용 필드의 성장을 정량적으로 측정할 수 있음을 보여주었다(그림6). 쉴리렌 촬영 기술의 발전으로 연구원들은 새로운 데이터 수집 기술들을 습득하게 되었다.
올바른 기술을 선택하고 적절한 고속카메라로 한 쌍을 이루면 더 자세하고 정확한 데이터를 얻을 수 있다.
자료 제공: VISION RESEARCH(www.phantomhighspeed.com)
