一项基于10 kHz高速PIV-PLIF 同步测量的火焰流动-化学反应耦合机制实验

实验采用千眼狼高速粒子图像测速（PIV）与平面激光诱导荧光（PLIF）同步耦合测量，实现火焰流动结构与化学反应区在同一时刻、同一平面上的同步成像，定量揭示湍流剪切、涡结构演化与火焰动态响应之间的瞬态耦合关系。

1 实验背景

新能源动力与燃烧基础研究中，火焰的稳定性、燃烧效率与污染物生成均与流动结构和化学反应的耦合强相关。

传统火焰实验诊断依赖单一物理量测量手段：

• 粒子图像测速（PIV）技术可获得高分辨率速度场，但无法直接反映化学反应区位置、强度、自由基分布。

• 平面激光诱导荧光（PLIF）技术可定量表征关键中间产物或示踪物空间分布，但缺乏对流动动力学信息的获取。

• PIV与PLIF技术非同步测量或分步骤实验，又难以揭示火焰中流动结构与化学反应区演化之间的内在耦合关系。

某国家实验室联合中科君达视界搭建一套以高速摄像机为核心采集端的PIV-PLIF同步耦合诊断系统，实现火焰流动结构与化学反应区在同一时刻、同一平面上的同步成像，定量揭示湍流剪切、涡结构演化与火焰动态响应之间的瞬态耦合关系。

2 实验设备

本次实验系统由光源模块、高速成像模块、同步控制模块、数据处理模块与燃烧实验平台构成，核心配置如下：

2.1 粒子图像测速（PIV）系统（用于火焰流场测量）

• 采集端：千眼狼高速摄像机S1310M

• 双脉冲激光器：527 nm Nd:YLF

• 527 nm窄带滤光片

• 1 μm 三氧化二铝颗粒

2.2 平面激光诱导荧光（PLIF）系统（用于反应区测量）

• 采集端：千眼狼高速摄像机S1310耦合像增强器

• 激发光源：泵浦激光器与可调谐染料激光器

• 紫外镜头，确保308 nm高透过，搭配OH信号带通滤光片抑制背景干扰

2.3 同步控制与触发系统

数字延时脉冲发生器：提供多通道ns级延时与触发用于激光器、高速摄像机、像增强器同步。

3 实验过程 

PIV-PLIF耦合实验过程由五大步骤构成：光路搭建与PIV-PLIF空间耦合标定、时序同步设置、PLIF激光能量脉动修正、PLIF片光能量分布修正、图像采集与耦合分析。

3.1 光路搭建调试与PIV-PLIF耦合标定

将PIV激光与PLIF激发激光通过扩束及柱面透镜组形成空间均匀的准直片光，并将两束片光合束实现同一物理共面。在光路与成像稳定后，通过PIV-PLIF系统共视标定板，分别采集标定图像，依据标定结果完成镜头畸变校正、坐标映射，将PIV速度场与PLIF荧光场统一到同一物理坐标框架中，配准过程针对视场倾角、光片非共面等偏差进行迭代校核，使两套系统满足同步耦合测量要求的空间对准精度。

3.2 时序同步设置

通过数字延时发生器统一管理2台高速摄像机、像增强器、PIV双脉冲激光器、PLIF泵浦激光器、染料激光器的触发链路，以高速摄像机的帧触发为主时基，结合激光发射延时与像增强器门控窗口设定，确保PIV采集端在双脉冲条件下获得稳定的粒子位移信息，同时PLIF采集端能在荧光信号出现的时间窗内完成采集。

3.3 PLIF激光能量脉动修正

为消除泵浦激光器脉冲能量涨落对荧光图像灰度值起伏影响，造成虚假的化学反应强弱变化，工程师们引入光电二极管对每个激光脉冲能量进行同步采样，并通过示波器记录脉冲峰值，建立激光能量随时间变化的基准序列，与PLIF子系统中的千眼狼高速摄像机S1310M采集的帧编号对齐，后续利用千眼狼RFlow4流场测量软件进行灰度强度校正，确保荧光强度的时域稳定性。

3.4 PLIF片光能量分布修正 

由于激光片光在约40 mm横截面上的光强分布并非均匀，呈中心区域能量密度高于边缘的高斯分布，故导致荧光图像在空间分布上出现“中心亮、边缘暗”的灰度梯度，容易误判为反应区的强弱差异，故本实验使用丙酮在密闭容器挥发后产生的均匀丙酮浓度场作为片光能量修正基础，将容器放置在片光光路中，使用PLIF图像采集模块采集图像，用于后期标定减除，使荧光强度在空间上的变化更接近火焰反应区真实分布，确保PLIF荧光图像中不同空间的OH浓度具有可比性。

3.5 图像采集与耦合分析

按照10 kHz设定系统采样频率，连续获取PIV粒子图像序列与PLIF荧光图像序列，保证两套数据在时间戳与帧编号对齐。采集完成后对两路序列图像进行平场校正等预处理，并基于既定的空间映射关系将PIV与PLIF数据同帧叠加，实现火焰流动结构与反应区分布的同步可视化与耦合对照。

4 实验数据解析

4.1 耦合前

• PIV序列图像可清晰观测到火焰流动结构的整体形态与演化特征。速度场中可辨识出典型卷吸与回流结构，反映出火焰与流动相互作用下的湍流特征。

• PLIF序列图像则可观察到反应区或火焰锋面的空间拓扑及时序波动表现，荧光强度分布呈现出沿火焰面方向的连续反应层结构。

4.2 耦合后

将同帧PIV速度场与PLIF荧光场进行叠加后，可直接观察到火焰锋面的拓扑变化与局部流动结构之间的同步对应关系，当速度场中出现较强的瞬态涡结构时，荧光图像中的火焰锋面同步表现出更明显的褶皱加深、弯折。从耦合视图中不仅能够提取漩涡运动轨迹，还能够直观判断是否在反应区附近，从而支持研究人员建立流动扰动与反应区形态变化的联系。

5 实验结论

I. 实验成功搭建了高速PIV-PLIF同步耦合系统，实现了火焰流场与反应区的同步耦合测量。

II. 实验基于千眼狼PIV-PLIF同步诊断技术，揭示了火焰流动与化学反应的内在耦合关系，助力科研人员理解燃烧过程中火焰传播、物质输运、点火稳焰等过程的燃烧流体动力学机制，为机理研究提供实验依据。