實驗采用千眼狼高速粒子圖像測速（PIV）與平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）同步耦合測量，實現(xiàn)火焰流動結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)區(qū)在同一時刻、同一平面上的同步成像，定量揭示湍流剪切、渦結(jié)構(gòu)演化與火焰動態(tài)響應(yīng)之間的瞬態(tài)耦合關(guān)系。
1 實驗背景
新能源動力與燃燒基礎(chǔ)研究中，火焰的穩(wěn)定性、燃燒效率與污染物生成均與流動結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的耦合強相關(guān)。
傳統(tǒng)火焰實驗診斷依賴單一物理量測量手段：
粒子圖像測速（PIV）技術(shù)可獲得高分辨率速度場，但無法直接反映化學(xué)反應(yīng)區(qū)位置、強度、自由基分布。
平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）技術(shù)可定量表征關(guān)鍵中間產(chǎn)物或示蹤物空間分布，但缺乏對流動動力學(xué)信息的獲取。
PIV與PLIF技術(shù)非同步測量或分步驟實驗，又難以揭示火焰中流動結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)區(qū)演化之間的內(nèi)在耦合關(guān)系。
某國家實驗室聯(lián)合中科君達(dá)視界搭建一套以高速攝像機為核心采集端的PIV-PLIF同步耦合診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)火焰流動結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)區(qū)在同一時刻、同一平面上的同步成像，定量揭示湍流剪切、渦結(jié)構(gòu)演化與火焰動態(tài)響應(yīng)之間的瞬態(tài)耦合關(guān)系。
2 實驗設(shè)備
本次實驗系統(tǒng)由光源模塊、高速成像模塊、同步控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與燃燒實驗平臺構(gòu)成，核心配置如下：
2.1 粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)（用于火焰流場測量）
采集端：千眼狼高速攝像機S1310M
雙脈沖激光器：527 nm Nd:YLF
527 nm窄帶濾光片
1 μm 三氧化二鋁顆粒
2.2 平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）系統(tǒng)（用于反應(yīng)區(qū)測量）
采集端：千眼狼高速攝像機S1310耦合像增強器
激發(fā)光源：泵浦激光器與可調(diào)諧染料激光器
紫外鏡頭，確保308 nm高透過，搭配OH信號帶通濾光片抑制背景干擾
2.3 同步控制與觸發(fā)系統(tǒng)
數(shù)字延時脈沖發(fā)生器：提供多通道ns級延時與觸發(fā)用于激光器、高速攝像機、像增強器同步。
3 實驗過程
PIV-PLIF耦合實驗過程由五大步驟構(gòu)成：光路搭建與PIV-PLIF空間耦合標(biāo)定、時序同步設(shè)置、PLIF激光能量脈動修正、PLIF片光能量分布修正、圖像采集與耦合分析。
3.1 光路搭建調(diào)試與PIV-PLIF耦合標(biāo)定
將PIV激光與PLIF激發(fā)激光通過擴(kuò)束及柱面透鏡組形成空間均勻的準(zhǔn)直片光，并將兩束片光合束實現(xiàn)同一物理共面。在光路與成像穩(wěn)定后，通過PIV-PLIF系統(tǒng)共視標(biāo)定板，分別采集標(biāo)定圖像，依據(jù)標(biāo)定結(jié)果完成鏡頭畸變校正、坐標(biāo)映射，將PIV速度場與PLIF熒光場統(tǒng)一到同一物理坐標(biāo)框架中，配準(zhǔn)過程針對視場傾角、光片非共面等偏差進(jìn)行迭代校核，使兩套系統(tǒng)滿足同步耦合測量要求的空間對準(zhǔn)精度。
3.2 時序同步設(shè)置
通過數(shù)字延時發(fā)生器統(tǒng)一管理2臺高速攝像機、像增強器、PIV雙脈沖激光器、PLIF泵浦激光器、染料激光器的觸發(fā)鏈路，以高速攝像機的幀觸發(fā)為主時基，結(jié)合激光發(fā)射延時與像增強器門控窗口設(shè)定，確保PIV采集端在雙脈沖條件下獲得穩(wěn)定的粒子位移信息，同時PLIF采集端能在熒光信號出現(xiàn)的時間窗內(nèi)完成采集。
3.3 PLIF激光能量脈動修正
為消除泵浦激光器脈沖能量漲落對熒光圖像灰度值起伏影響，造成虛假的化學(xué)反應(yīng)強弱變化，工程師們引入光電二極管對每個激光脈沖能量進(jìn)行同步采樣，并通過示波器記錄脈沖峰值，建立激光能量隨時間變化的基準(zhǔn)序列，與PLIF子系統(tǒng)中的千眼狼高速攝像機S1310M采集的幀編號對齊，后續(xù)利用千眼狼RFlow4流場測量軟件進(jìn)行灰度強度校正，確保熒光強度的時域穩(wěn)定性。
3.4 PLIF片光能量分布修正
由于激光片光在約40 mm橫截面上的光強分布并非均勻，呈中心區(qū)域能量密度高于邊緣的高斯分布，故導(dǎo)致熒光圖像在空間分布上出現(xiàn)“中心亮、邊緣暗”的灰度梯度，容易誤判為反應(yīng)區(qū)的強弱差異，故本實驗使用丙酮在密閉容器揮發(fā)后產(chǎn)生的均勻丙酮濃度場作為片光能量修正基礎(chǔ)，將容器放置在片光光路中，使用PLIF圖像采集模塊采集圖像，用于后期標(biāo)定減除，使熒光強度在空間上的變化更接近火焰反應(yīng)區(qū)真實分布，確保PLIF熒光圖像中不同空間的OH濃度具有可比性。
3.5 圖像采集與耦合分析
按照10 kHz設(shè)定系統(tǒng)采樣頻率，連續(xù)獲取PIV粒子圖像序列與PLIF熒光圖像序列，保證兩套數(shù)據(jù)在時間戳與幀編號對齊。采集完成后對兩路序列圖像進(jìn)行平場校正等預(yù)處理，并基于既定的空間映射關(guān)系將PIV與PLIF數(shù)據(jù)同幀疊加，實現(xiàn)火焰流動結(jié)構(gòu)與反應(yīng)區(qū)分布的同步可視化與耦合對照。
4 實驗數(shù)據(jù)解析
4.1 耦合前
PIV序列圖像可清晰觀測到火焰流動結(jié)構(gòu)的整體形態(tài)與演化特征。速度場中可辨識出典型卷吸與回流結(jié)構(gòu)，反映出火焰與流動相互作用下的湍流特征。
PLIF序列圖像則可觀察到反應(yīng)區(qū)或火焰鋒面的空間拓?fù)浼皶r序波動表現(xiàn)，熒光強度分布呈現(xiàn)出沿火焰面方向的連續(xù)反應(yīng)層結(jié)構(gòu)。
4.2 耦合后
將同幀PIV速度場與PLIF熒光場進(jìn)行疊加后，可直接觀察到火焰鋒面的拓?fù)渥兓c局部流動結(jié)構(gòu)之間的同步對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)速度場中出現(xiàn)較強的瞬態(tài)渦結(jié)構(gòu)時，熒光圖像中的火焰鋒面同步表現(xiàn)出更明顯的褶皺加深、彎折。從耦合視圖中不僅能夠提取漩渦運動軌跡，還能夠直觀判斷是否在反應(yīng)區(qū)附近，從而支持研究人員建立流動擾動與反應(yīng)區(qū)形態(tài)變化的聯(lián)系。
5 實驗結(jié)論
I. 實驗成功搭建了高速PIV-PLIF同步耦合系統(tǒng)，實現(xiàn)了火焰流場與反應(yīng)區(qū)的同步耦合測量。
II. 實驗基于千眼狼PIV-PLIF同步診斷技術(shù)，揭示了火焰流動與化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在耦合關(guān)系，助力科研人員理解燃燒過程中火焰?zhèn)鞑ァ⑽镔|(zhì)輸運、點火穩(wěn)焰等過程的燃燒流體動力學(xué)機制，為機理研究提供實驗依據(jù)。
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