技术前沿|高频Stereo-PIV技术在中心分级旋流火焰贫燃吹熄机理研究中的应用

某航空航天国家重点实验室科研团队利用千眼狼（Revealer）高频Stereo-PIV系统（5 kHz）结合OH*化学发光测量，对中心分级旋流火焰的贫燃吹熄（LBO）机理开展实验研究。通过获取三分量瞬态速度场并引入SPOD模态分解方法，系统解析了不同速度比条件下旋流流场结构演化及其对火焰稳定性的影响。研究揭示了接近LBO条件下主回流区附近低频大尺度结构的形成及其对火焰锚定机制的关键作用，为理解中心分级燃烧稳定机理及优化低排放航空发动机燃烧室设计提供了重要实验依据。

1 研究背景

中心分级燃烧（Centrally Staged Combustion）通过将燃料分配至引燃级与主燃级，实现低负荷稳定燃烧与高负荷贫预混燃烧的协同运行，因此成为航空发动机低排放燃烧技术的重要发展方向。然而该技术在主燃级采用贫预混燃烧模式，燃烧室工作点接近贫燃吹熄边界，静态火焰稳定性问题突出。与单级旋流火焰相比，中心分级火焰呈现更复杂的流场结构和火焰形态，吹熄机理理解尚不充分，传统流场测量手段难以同时捕捉高速瞬态流场与火焰结构的时空演化。

研究团队引入千眼狼（Revealer）高频Stereo-PIV系统，以5 kHz的重复频率对中心分级旋流燃烧器的非反应流场和反应流场开展高时空分辨率测量，结合SPOD模态分解技术，解析速度比、分层比、氢含量等关键参数对贫燃吹熄极限的影响机制。

2 实验设备

2.1 中心分级旋流燃烧器：采用改进的BASIS型中心分级旋流燃烧器，由引燃级轴向旋流器、主级轴向旋流器、中心体结构、唇口结构、光学可视化燃烧室组成，其中燃烧室高度约100 mm，宽度74 mm，燃料采用甲烷-氢气混合燃料，空气与燃料分别通过质量流量控制器精确调节。

2.2 OH*化学发光系统：由像增强器、千眼狼（Revealer）高速摄像机S1315和308 nm带通滤光片组成，用于表征火焰热释放率分布，判断火焰结构与稳定性变化。

2.3 高频Stereo-PIV测量系统：基于双腔双脉冲Nd：YLF激光器和两台千眼狼（Revealer）PIV高速摄像机（帧率10 kHz@frame-straddling 模式）组成二维三分量速度测量系统（2D3C Stereo-PIV）系统。两台PIV相机在前向散射结构下布置，夹角120°，通过双相机立体测量方法获取完整速度矢量场。

图1 高频Stereo-PIV与OH*化学发光同步测量系统示意图

3 实验过程

3.1 实验工况设计：通过非反应流场测试确定关键参数空间，重点考察主级与引燃级速度比Rv 对流动结构的影响，并结合旋流数、燃料分级比以及氢气掺混比例等参数，构建覆盖典型燃烧工况的实验矩阵。通过逐步调节空气与燃料流量，使火焰从稳定燃烧状态逐渐过渡至接近贫燃吹熄状态，从而获得不同条件下的流场演化数据，为后续流动机理分析提供基础。

3.2 PIV测试流程：实验采用高频Stereo-PIV系统对燃烧器内部流场进行测量。首先在主级和引燃级气流中引入氧化铝示踪粒子，通过激光片光照射形成测量平面，并对双相机系统进行立体标定（Scheimpflug校准），两台PIV高速摄像机以立体成像方式同步采集粒子散射图像，计算二维三分量速度场。在每个实验工况下采集约10000组瞬态速度场数据，以保证统计分析与频域分析所需的时间分辨率和样本数量。

3.3 数据处理与模态分析：利用互相关算法计算矢量场，引入SPOD技术，提取流场中的主导模态结构及其能量分布，识别不同频率下的主导动力学结构，从而揭示旋流喷流之间的耦合机制以及接近LBO时出现的大尺度不稳定流动结构。

4 实验数据

利用千眼狼（Revealer）高频Stereo-PIV系统的高时空分辨率与三分量测量能力，研究团队还原了中心分级旋流火焰在接近吹熄极限时的流场动力学特征，解析如下：

I. Stereo-PIV揭示中心分级旋流的回流区结构

千眼狼（Revealer）高频Stereo-PIV系统首先用于测量非反应条件下的瞬态三分量速度场，并通过时间平均得到不同速度比条件下的流场结构。实验结果表明，随着主级与引燃级速度比Rv 的变化，中心分级旋流燃烧器内部的回流区形态发生变化（图2所示）。

在较低速度比条件下，Stereo-PIV系统捕获到的轴向速度场显示，中心主回流区（PRZ）主要由引燃级旋流主导，回流区呈现较为紧凑的结构，其范围主要集中在燃烧器轴线附近。速度比逐渐增加时，Stereo-PIV测量结果显示主级旋流喷流逐渐增强，并在下游区域与引燃级喷流合并。速度比继续提高时，主级旋流成为主导动力源，回流区位置向下游移动，并形成更宽的高速射流结构。 

千眼狼（Revealer）Stereo-PIV系统捕获的这一系列速度场变化表明中心分级燃烧器的流场可根据速度比分为引燃级主导、双级协同以及主级主导三种流动模式，为后续贫燃吹熄实验的参数选择提供依据，也说明旋流流场结构的变化是影响火焰稳定性的关键因素之一。

图2 Stereo-PIV测量得到的不同速度比条件下时间平均轴向速度分布

II. Stereo-PIV模态分析揭示旋流主导结构

基于千眼狼（Revealer）Stereo-PIV捕获的瞬态速度场数据，研究团队进一步利用SPOD方法进行频域模态分析，提取流场中的主导动力学结构，识别不同频率下能量占优的主导流动模态。

SPOD结果表明，在低速度比条件下，流场主导模态能量主要集中在引燃级旋流区域，呈反对称分布，表明引燃级旋流的不稳定结构主导整个流场。当速度比增加至中等水平时，主导模态能量同时出现在主级与引燃级喷流交汇区域，当速度比进一步提高时，主导模态的能量集中在下游区域，显示主级旋流占据主导地位。

Stereo-PIV结合SPOD模态分析，可定量识别旋流燃烧器内部的主导动力学结构及其能量分布位置，揭示气流分级设计如何改变流场稳定的机制。该分析基于Stereo-PIV获得的瞬态速度场序列进行频域分解，从而提取流场的主导动力学结构。

图3 基于Stereo-PIV速度场数据的SPOD第一模态空间分布（不同速度比）

III. Stereo-PIV识别贫燃吹熄前的关键流动结构

燃烧实验中利用千眼狼（Revealer）Stereo-PIV测量系统进一步研究火焰接近贫燃吹熄极限时的流场变化。当量比逐渐降低至接近LBO时，原本由多个频率组成的流动结构逐渐被单一低频模态所主导，该低频模态的空间分布主要集中在主回流区与火焰锚定区域。

Stereo-PIV数据表明低频大尺度结构周期性扰动回流区内部流动，从而影响高温燃烧产物向火焰根部输运。当扰动增强时，火焰根部无法持续获得足够的活性自由基，导致局部熄灭并引发整体火焰吹熄。通过分析第一模态空间分布，可以清晰定位关键扰动结构的位置及影响范围。图4展示了接近贫燃吹熄条件下的SPOD第一模态空间分布，揭示火焰锚定区域附近的大尺度不稳定结构。

图4 接近LBO条件下基于Stereo-PIV数据得到的SPOD第一模态结构

5 实验结论

研究基于高频Stereo-PIV与OH*化学发光同步诊断，揭示了中心分级旋流燃烧器贫燃条件下的流场结构演化及贫燃吹熄（LBO）特性：

I. Stereo-PIV测量结果表明，随着主级与引燃级速度比的变化，燃烧器内部流场呈现出由引燃级主导，主、引燃级耦合流动到主级主导的三种典型结构转变，改变了主回流区位置及剪切层结构，从而直接影响火焰锚定位置和整体燃烧稳定性。

II.接近贫燃吹熄极限时，流场动力学特征发生明显变化。SPOD模态分析显示，高频湍流逐渐衰减，而低频大尺度结构逐渐增强并集中于回流区及火焰锚定区域，表明流场由小尺度湍流主导逐渐转变为大尺度相干结构主导。这些结构会周期性扰动高温产物向火焰根部的输运，削弱热反馈与自由基供给，最终触发局部熄灭并导致整体LBO。

 III. Stereo-PIV测量系统在研究中展现出重要技术价值，实现了高时间分辨率流场测量与动力学结构识别。通过5 kHz高频立体PIV获取三分量瞬态速度场，并结合模态分解分析，实现了复杂旋流结构识别与关键不稳定结构定位，为揭示燃烧稳定机理和建立LBO预测模型提供了关键实验数据支撑。