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實驗采用千眼狼高速粒子圖像測速（PIV）與平面激光誘導熒光（PLIF）同步耦合測量，實現火焰流動結構與化學反應區在同一時刻、同一平面上的同步成像，定量揭示湍流剪切、渦結構演化與火焰動態響應之間的瞬態耦合關系。
1 實驗背景
新能源動力與燃燒基礎研究中，火焰的穩定性、燃燒效率與污染物生成均與流動結構和化學反應的耦合強相關。
傳統火焰實驗診斷依賴單一物理量測量手段：
粒子圖像測速（PIV）技術可獲得高分辨率速度場，但無法直接反映化學反應區位置、強度、自由基分布。
平面激光誘導熒光（PLIF）技術可定量表征關鍵中間產物或示蹤物空間分布，但缺乏對流動動力學信息的獲取。
PIV與PLIF技術非同步測量或分步驟實驗，又難以揭示火焰中流動結構與化學反應區演化之間的內在耦合關系。
某國家實驗室聯合中科君達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，實現火焰流動結構與化學反應區在同一時刻、同一平面上的同步成像，定量揭示湍流剪切、渦結構演化與火焰動態響應之間的瞬態耦合關系。
2 實驗設備
本次實驗系統由光源模塊、高速成像模塊、同步控制模塊、數據處理模塊與燃燒實驗平臺構成，核心配置如下：
2.1 粒子圖像測速（PIV）系統（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 平面激光誘導熒光（PLIF）系統（用于反應區測量）
采集端：千眼狼高速攝像機S1310耦合像增強器
激發光源：泵浦激光器與可調諧染料激光器
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 同步控制與觸發系統
數字延時脈沖發生器：提供多通道ns級延時與觸發用于激光器、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成：光路搭建與PIV-PLIF空間耦合標定、時序同步設置、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 光路搭建調試與PIV-PLIF耦合標定
將PIV激光與PLIF激發激光通過擴束及柱面透鏡組形成空間均勻的準直片光，并將兩束片光合束實現同一物理共面。在光路與成像穩定后，通過PIV-PLIF系統共視標定板，分別采集標定圖像，依據標定結果完成鏡頭畸變校正、坐標映射，將PIV速度場與PLIF熒光場統一到同一物理坐標框架中，配準過程針對視場傾角、光片非共面等偏差進行迭代校核，使兩套系統滿足同步耦合測量要求的空間對準精度。
3.2 時序同步設置
通過數字延時發生器統一管理2臺高速攝像機、像增強器、PIV雙脈沖激光器、PLIF泵浦激光器、染料激光器的觸發鏈路，以高速攝像機的幀觸發為主時基，結合激光發射延時與像增強器門控窗口設定，確保PIV采集端在雙脈沖條件下獲得穩定的粒子位移信息，同時PLIF采集端能在熒光信號出現的時間窗內完成采集。
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，造成虛假的化學反應強弱變化，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序列，與PLIF子系統中的千眼狼高速攝像機S1310M采集的幀編號對齊，后續利用千眼狼RFlow4流場測量軟件進行灰度強度校正，確保熒光強度的時域穩定性。
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，呈中心區域能量密度高于邊緣的高斯分布，故導致熒光圖像在空間分布上出現“中心亮、邊緣暗”的灰度梯度，容易誤判為反應區的強弱差異，故本實驗使用丙酮在密閉容器揮發后產生的均勻丙酮濃度場作為片光能量修正基礎，將容器放置在片光光路中，使用PLIF圖像采集模塊采集圖像，用于后期標定減除，使熒光強度在空間上的變化更接近火焰反應區真實分布，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設定系統采樣頻率，連續獲取PIV粒子圖像序列與PLIF熒光圖像序列，保證兩套數據在時間戳與幀編號對齊。采集完成后對兩路序列圖像進行平場校正等預處理，并基于既定的空間映射關系將PIV與PLIF數據同幀疊加，實現火焰流動結構與反應區分布的同步可視化與耦合對照。
4 實驗數據解析
4.1 耦合前
PIV序列圖像可清晰觀測到火焰流動結構的整體形態與演化特征。速度場中可辨識出典型卷吸與回流結構，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區或火焰鋒面的空間拓撲及時序波動表現，熒光強度分布呈現出沿火焰面方向的連續反應層結構。
4.2 耦合后
將同幀PIV速度場與PLIF熒光場進行疊加后，可直接觀察到火焰鋒面的拓撲變化與局部流動結構之間的同步對應關系，當速度場中出現較強的瞬態渦結構時，熒光圖像中的火焰鋒面同步表現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區附近，從而支持研究人員建立流動擾動與反應區形態變化的聯系。
5 實驗結論
I. 實驗成功搭建了高速PIV-PLIF同步耦合系統，實現了火焰流場與反應區的同步耦合測量。
II. 實驗基于千眼狼PIV-PLIF同步診斷技術，揭示了火焰流動與化學反應的內在耦合關系，助力科研人員理解燃燒過程中火焰傳播、物質輸運、點火穩焰等過程的燃燒流體動力學機制，為機理研究提供實驗依據。
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