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實驗采用3D3C-PIV層析重構技術，實現對超音速火焰噴口近場三維速度場與瞬態渦結構的定量提取。
1 實驗背景
超音速火焰燃燒過程涉及復雜的流體動力學現象，如激波與火焰相互作用，高湍流度下的混合特性等。為優化航空發動機燃燒室設計以提升燃燒效率，獲取噴火口處的三維流場速度分布及渦結構細節至關重要。
僅2D2C-PIV或2D3C-PIV系統難以全面表征流動組織，捕捉三維速度與三分量速度的定量流場信息。
因此，某重點研究所采用中科君達視界提供的軟硬件全自主研發的千眼狼3D3C-PIV系統，借助4臺千眼狼高速攝像機與體重構算法，獲得噴口近場流場體速度場及渦結構，為航空發動機設計與機理研究提供支撐。
2 實驗簡介
2.1 實驗目的
模擬超音速火焰燃燒后的流場，測量噴火口處三維流場速度與三維渦結構，定量觀察火焰三維流動路徑，為極端條件航天發動機設計提供實驗數據支持。
2.2 實驗設備
實驗采用四臺PIV相機跨幀成像的3D3C-PIV體測量方案，核心設備與步驟如下：
采集端：千眼狼PIV跨幀相機G2100M×4臺，搭配尼康50 mm定焦鏡頭，核心參數：
脈沖激光器：低頻雙脈沖激光器，單脈沖能量500 mJ。
同步控制器：Quantum 8通道脈沖發生器。
示蹤粒子：3 μm氧化鋁粒子。
后處理軟件：千眼狼RFlow4流場測量分析軟件，包含體自標定模塊，粒子重構模塊，速度、渦量計算模塊等。
2.3 實驗難點與關鍵技術突破
噴火口火焰流場的PIV測量面臨的技術難點在于強火焰自發光背景下的成像信噪控制問題，會直接影響粒子圖像質量及三維速度場反演精度。受限于市面大多數PIV相機在跨幀模式下第二幀曝光時間不可調且顯著長于第一幀的固有機制（圖1），當實驗場景中火焰自發光強烈時，第二幀圖像易被化學自發光淹沒，導致粒子散射信號對比度下降，增加速度計算不確定度。
圖1
盡管在鏡頭前加裝與激光波長匹配的帶通濾光片可在一定程度上抑制環境雜散光，但由于火焰自發光譜中同樣包含激光散射波段成分，該方法在火焰場景下難以從根本上解決第二幀信噪退化問題。本實驗在光譜濾波基礎上進一步引入千眼狼自研的高速液晶快門（圖2），并通過定制同步控制實現液晶快門在微秒量級內完成“透光-截止”切換，使PIV幀對中第二幀的實際感光時間與第一幀保持一致，從而有效抑制火焰自發光干擾、提升粒子信噪比并降低三維流場測量結果的不確定度。
圖2 液晶快門安裝
2.4 實驗過程
第一步 實驗首先需要對測量空間的中心位置進行光學定位
圖3 光學定位
第二步 完成四臺PIV相機空間布置與定位
圖4 PIV相機布設
第三步 使用千眼狼自研Scheimpflug機構對相機進行移軸處理，以滿足Scheimpflug成像定律，保證待測量的體空間內每個位置都可清晰成像（圖5）。
圖5
第四步 打開激光器，使用最低能量進行照明，調整激光器出光位置，使體激光照明對準超音速燃燒器噴火口測量區域。
圖6
第五步 采集標定圖像，隨后采用映射方式為多項式擬合的標定方法進行第一次標定，平均擬合誤差僅3個像素（全像素數量2100萬），標定結果優秀。
圖7 標定可視化
圖8 標定結果
第六步 再使用體自標定方法進行二次標定，根據自標定前后的投影函數可得，使用自標定后，平均空間誤差降低了26.25%。
圖9 體自標定
第七步 調整激光器、PIV相機、液晶快門的同步時序后，四臺PIV相機從不同視角捕捉粒子圖像。
圖10 原始粒子圖像
第八步 利用中科君達視界自研的千眼狼RFlow4軟件進行粒子重構（CPU+GPU加速）與矢量計算（CPU+GPU加速），可視化生成速度矢量、云圖、流線圖與渦量云圖、切片與等值面展示。
3 實驗數據展示
3.1 粒子重構與精度控制
千眼狼RFlow4 PIV流場測量軟件具備“粒子重構可視化”功能，重構區域內的粒子效果圖如下：
圖11 千眼狼RFlow4軟件“粒子重構可視化”
圖12 粒子重構精度
重構區域內的粒子命中率保持在95%以上，確保空間分辨率的可靠性。
3.2 復雜流場可視化
實驗提取了噴火口中心及邊緣的速度云圖與矢量場，利用千眼狼RFlow4軟件進行多維度可視化呈現如下：
1) 時均分析圖：可提取噴火口近場穩定存在的平均速度分布與主導流動結構，從而為火焰整體流動組織特征、穩定回流區位置流場對比分析提供可靠基準。
圖13 流場時均圖
2）瞬時速度云圖：可定量觀測火焰燃燒后噴火口近場速度的空間分布，助力識別射流核心區發展、剪切層擴展及燃燒膨脹對流動路徑的影響。
圖14 瞬時速度云圖
3）三維流場切片：支持從不同截面觀測火焰燃燒后流場內部的三維速度梯度與結構連續性，解析流場內部的橫截面流動細節。
圖15 三維流場切片圖
4) 流線圖：用于展示火焰三維空間的宏觀運動路徑與膨脹趨勢，結合等值線三維可視化云圖，可直觀觀測火焰在空間上的速度梯度分布。
圖16 流線圖
圖17 等值線三維云圖
4 實驗結論
本實驗基于千眼狼3D3C-PIV體測量系統，完成噴火口近場流場的三維速度場與三維渦結構重構。通過體自標定技術、粒子重構技術、多維可視化技術，清晰展示了超音速火焰復雜的湍流演化現象，體速度場與渦結構同步測量助力工程師們更深入理解近場空氣剪切層、卷吸機制與渦旋的互作機理。
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