Fotografía Schlieren

Una fotografía de schlieren mostrando la compresión delante de un ala sin barriga en Mach 1.2

La fotografía de Schlieren es un proceso para fotografiar el flujo de fluidos. Inventado por el físico alemán August Toepler en 1864 para estudiar el movimiento supersónico, se usa ampliamente en ingeniería aeronáutica para fotografiar el flujo de aire alrededor de los objetos.

Sistema óptico clásico

La implementación clásica de un sistema óptico schlieren utiliza la luz de una sola fuente colimada que brilla sobre un objeto de destino o desde atrás. Las variaciones en el índice de refracción causadas por gradientes de densidad en el fluido distorsionan el haz de luz colimado. Esta distorsión crea una variación espacial en la intensidad de la luz, que se puede visualizar directamente con un sistema de gráfico de sombras.

Diseño óptico de un sistema de schlieren de un solo espejo.

Los sistemas clásicos de imágenes schlieren aparecen en dos configuraciones, utilizando uno o dos espejos. En cada caso, un objeto transparente se ilumina con luz colimada o casi colimada. Los rayos que no son desviados por el objeto se dirigen a su punto focal, donde son bloqueados por el filo de un cuchillo. Los rayos que son desviados por el objeto tienen la posibilidad de pasar el filo de la navaja sin ser bloqueados. Como resultado, se puede colocar una cámara después del filo de la navaja de modo que la imagen del objeto exhiba variaciones de intensidad debido a las desviaciones de los rayos. El resultado es un conjunto de parches más claros y más oscuros que corresponden a gradientes de densidad de fluido positivos y negativos en la dirección normal al filo de la navaja. Cuando se utiliza un filo de cuchillo, el sistema generalmente se denomina sistema de Schlieren, que mide la primera derivada de la densidad en la dirección del filo de cuchillo. Si no se utiliza el filo de una navaja, el sistema generalmente se denomina sistema de gráfico de sombras, que mide la segunda derivada de la densidad.

En el sistema schlieren de dos espejos (a veces llamado configuración Z), la fuente es colimada por el primer espejo, la luz colimada atraviesa el objeto y luego es enfocada por el segundo espejo. Esto generalmente permite imágenes de mayor resolución (ver detalles más finos en el objeto) de lo que es posible usando la configuración de un solo espejo.

• Diseños de sistemas Schlieren
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  Diseño óptico de un sistema de dos espejos schlieren, mostrando sólo los rayos no desviados.

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  Diseño óptico de un sistema de schlieren de dos espejos, mostrando los rayos desviados imaginados en el detector de la cámara.

Si el flujo de fluido es uniforme, la imagen será constante, pero cualquier turbulencia causará centelleo, el efecto brillante que se puede ver sobre las superficies calentadas en un día caluroso. Para visualizar perfiles de densidad instantáneos, se puede utilizar un flash de corta duración (en lugar de iluminación continua).

Sistema óptico Schlieren de enfoque

A mediados del siglo XX, R. A. Burton desarrolló una forma alternativa de fotografía schlieren, que ahora suele llamarse focusing schlieren o lens-and-grid schlieren, basado en una sugerencia de Hubert Schardin. Los sistemas de enfoque schlieren generalmente retienen el filo de cuchillo característico para producir contraste, pero en lugar de usar luz colimada y un solo filo de cuchillo, usan un patrón de iluminación de bordes repetidos con un sistema de imágenes de enfoque.

Diagrama básico de un sistema de schlieren centrado

La idea básica es que el patrón de iluminación se refleja en un patrón de corte geométricamente congruente (esencialmente, una multiplicidad de filos de cuchillas) con óptica de enfoque, mientras que los gradientes de densidad que se encuentran entre el patrón de iluminación y el patrón de corte se capturan, por lo general, con una cámara. sistema. Al igual que en el schlieren clásico, las distorsiones producen regiones de aclaramiento u oscurecimiento correspondientes a la posición y dirección de la distorsión, porque redirigen los rayos desde o hacia la parte opaca del patrón de corte. Mientras que en el schlieren clásico, las distorsiones en toda la trayectoria del haz se visualizan por igual, en el schlieren de enfoque, solo se visualizan claramente las distorsiones en el campo del objeto de la cámara. Las distorsiones que se alejan del campo del objeto se vuelven borrosas, por lo que esta técnica permite cierto grado de selección de profundidad. También tiene la ventaja de que se puede utilizar una gran variedad de fondos iluminados, ya que no se requiere colimación. Esto permite la construcción de sistemas Schlieren de enfoque basados en proyección, que son mucho más fáciles de construir y alinear que los sistemas Schlieren clásicos. El requisito de la luz colimada en el schlieren clásico es a menudo una barrera práctica sustancial para construir sistemas grandes debido a la necesidad de que la óptica colimadora sea del mismo tamaño que el campo de visión. Los sistemas Schlieren de enfoque pueden utilizar ópticas compactas con un gran patrón de iluminación de fondo, que es particularmente fácil de producir con un sistema de proyección. Para sistemas con gran desmagnificación, el patrón de iluminación debe ser aproximadamente dos veces más grande que el campo de visión para permitir el desenfoque del patrón de fondo.

Técnicas orientadas al trasfondo

Olas de choque producidas por un Talón T-38 durante el vuelo utilizando schlieren analógico orientado al fondo

La técnica de Schlieren orientada al fondo se basa en medir o visualizar cambios en imágenes enfocadas. En estas técnicas, el fondo y el objeto schlieren (la distorsión que se va a visualizar) están enfocados y la distorsión se detecta porque mueve parte de la imagen de fondo con respecto a su posición original. Debido a este requisito de enfoque, tienden a usarse para aplicaciones a gran escala donde tanto el objeto schlieren como el fondo están distantes (generalmente más allá de la distancia hiperfocal del sistema óptico). Dado que estos sistemas no requieren óptica adicional además de una cámara, a menudo son los más simples de construir, pero generalmente no son tan sensibles como otros tipos de sistemas schlieren, y la sensibilidad está limitada por la resolución de la cámara. La técnica también requiere una imagen de fondo adecuada. En algunos casos, el experimentador puede proporcionar el fondo, como un patrón de motas aleatorias o una línea nítida, pero también se pueden usar características naturales como paisajes o fuentes de luz brillante como el sol y la luna. El schlieren orientado al fondo se realiza con mayor frecuencia utilizando técnicas de software como la correlación de imágenes digitales y el análisis de flujo óptico para realizar el schlieren sintético, pero es posible lograr el mismo efecto en imágenes de rayas con un sistema óptico analógico.

Variaciones y aplicaciones

Color schlieren imagen de la ciruela térmica de una vela ardiente, perturbada por una brisa de la derecha

Imagen de Schlieren mostrando el ciruelo de convección térmica que surge de una vela ordinaria en el aire. Esta fotografía muestra claramente la transición del flujo laminar al flujo turbulento.

Las variaciones en el método de schlieren óptico incluyen el reemplazo del filo de la navaja por un objetivo de color, lo que da como resultado un schlieren de arco iris que puede ayudar a visualizar el flujo. Las diferentes configuraciones de bordes, como los anillos concéntricos, también pueden brindar sensibilidad a las direcciones de gradiente variable, y también se ha demostrado la generación de bordes digitales programables utilizando pantallas digitales y moduladores. El sensor de frente de onda piramidal de óptica adaptativa es una forma modificada de schlieren (que tiene dos filos de cuchillo perpendiculares formados por los vértices de una pirámide cuadrada refractiva).

Se pueden construir sistemas ópticos Schlieren completos a partir de componentes o comprarlos como instrumentos disponibles en el mercado. Los detalles de la teoría y la operación se dan en Settles' libro de 2001. La URSS produjo una vez una serie de sofisticados sistemas schlieren basados en el principio del telescopio Maksutov, muchos de los cuales aún sobreviven en la antigua Unión Soviética y China.

La fotografía de Schlieren se utiliza para visualizar los flujos de los medios, que son transparentes (por lo tanto, su movimiento no se puede ver directamente), pero forman gradientes de índice de refracción, que se vuelven visibles en las imágenes de Schlieren como tonos de gris o incluso en color. Los gradientes de índice de refracción pueden ser causados por cambios de temperatura/presión del mismo fluido o por variaciones en la concentración de componentes en mezclas y soluciones. Una aplicación típica en dinámica de gases es el estudio de ondas de choque en balística y vehículos supersónicos o hipersónicos. Se pueden visualizar flujos causados por calentamiento, absorción física o reacciones químicas. Por lo tanto, la fotografía de Schlieren se puede utilizar en muchos problemas de ingeniería, como la transferencia de calor, la detección de fugas, el estudio del desprendimiento de la capa límite y la caracterización de la óptica.