某航空航天國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)利用千眼狼（Revealer）高頻Stereo-PIV系統(tǒng)（5 kHz）結(jié)合OH*化學(xué)發(fā)光測(cè)量，對(duì)中心分級(jí)旋流火焰的貧燃吹熄（LBO）機(jī)理開展實(shí)驗(yàn)研究。通過獲取三分量瞬態(tài)速度場(chǎng)并引入SPOD模態(tài)分解方法，系統(tǒng)解析了不同速度比條件下旋流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)演化及其對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響。研究揭示了接近LBO條件下主回流區(qū)附近低頻大尺度結(jié)構(gòu)的形成及其對(duì)火焰錨定機(jī)制的關(guān)鍵作用，為理解中心分級(jí)燃燒穩(wěn)定機(jī)理及優(yōu)化低排放航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 研究背景

中心分級(jí)燃燒（Centrally Staged Combustion）通過將燃料分配至引燃級(jí)與主燃級(jí)，實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒與高負(fù)荷貧預(yù)混燃燒的協(xié)同運(yùn)行，因此成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而該技術(shù)在主燃級(jí)采用貧預(yù)混燃燒模式，燃燒室工作點(diǎn)接近貧燃吹熄邊界，靜態(tài)火焰穩(wěn)定性問題突出。與單級(jí)旋流火焰相比，中心分級(jí)火焰呈現(xiàn)更復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和火焰形態(tài)，吹熄機(jī)理理解尚不充分，傳統(tǒng)流場(chǎng)測(cè)量手段難以同時(shí)捕捉高速瞬態(tài)流場(chǎng)與火焰結(jié)構(gòu)的時(shí)空演化。

研究團(tuán)隊(duì)引入千眼狼（Revealer）高頻Stereo-PIV系統(tǒng)，以5 kHz的重復(fù)頻率對(duì)中心分級(jí)旋流燃燒器的非反應(yīng)流場(chǎng)和反應(yīng)流場(chǎng)開展高時(shí)空分辨率測(cè)量，結(jié)合SPOD模態(tài)分解技術(shù)，解析速度比、分層比、氫含量等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)貧燃吹熄極限的影響機(jī)制。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 中心分級(jí)旋流燃燒器：采用改進(jìn)的BASIS型中心分級(jí)旋流燃燒器，由引燃級(jí)軸向旋流器、主級(jí)軸向旋流器、中心體結(jié)構(gòu)、唇口結(jié)構(gòu)、光學(xué)可視化燃燒室組成，其中燃燒室高度約100 mm，寬度74 mm，燃料采用甲烷-氫氣混合燃料，空氣與燃料分別通過質(zhì)量流量控制器精確調(diào)節(jié)。

2.2 OH*化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)：由像增強(qiáng)器、千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)S1315和308 nm帶通濾光片組成，用于表征火焰熱釋放率分布，判斷火焰結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性變化。

2.3 高頻Stereo-PIV測(cè)量系統(tǒng)：基于雙腔雙脈沖Nd：YLF激光器和兩臺(tái)千眼狼（Revealer）PIV高速攝像機(jī)（幀率10 kHz@frame-straddling 模式）組成二維三分量速度測(cè)量系統(tǒng)（2D3C Stereo-PIV）系統(tǒng)。兩臺(tái)PIV相機(jī)在前向散射結(jié)構(gòu)下布置，夾角120°，通過雙相機(jī)立體測(cè)量方法獲取完整速度矢量場(chǎng)。

圖1 高頻Stereo-PIV與OH*化學(xué)發(fā)光同步測(cè)量系統(tǒng)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)：通過非反應(yīng)流場(chǎng)測(cè)試確定關(guān)鍵參數(shù)空間，重點(diǎn)考察主級(jí)與引燃級(jí)速度比Rv 對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合旋流數(shù)、燃料分級(jí)比以及氫氣摻混比例等參數(shù)，構(gòu)建覆蓋典型燃燒工況的實(shí)驗(yàn)矩陣。通過逐步調(diào)節(jié)空氣與燃料流量，使火焰從穩(wěn)定燃燒狀態(tài)逐漸過渡至接近貧燃吹熄狀態(tài)，從而獲得不同條件下的流場(chǎng)演化數(shù)據(jù)，為后續(xù)流動(dòng)機(jī)理分析提供基礎(chǔ)。

3.2 PIV測(cè)試流程：實(shí)驗(yàn)采用高頻Stereo-PIV系統(tǒng)對(duì)燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。首先在主級(jí)和引燃級(jí)氣流中引入氧化鋁示蹤粒子，通過激光片光照射形成測(cè)量平面，并對(duì)雙相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行立體標(biāo)定（Scheimpflug校準(zhǔn)），兩臺(tái)PIV高速攝像機(jī)以立體成像方式同步采集粒子散射圖像，計(jì)算二維三分量速度場(chǎng)。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下采集約10000組瞬態(tài)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，以保證統(tǒng)計(jì)分析與頻域分析所需的時(shí)間分辨率和樣本數(shù)量。

3.3 數(shù)據(jù)處理與模態(tài)分析：利用互相關(guān)算法計(jì)算矢量場(chǎng)，引入SPOD技術(shù)，提取流場(chǎng)中的主導(dǎo)模態(tài)結(jié)構(gòu)及其能量分布，識(shí)別不同頻率下的主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，從而揭示旋流噴流之間的耦合機(jī)制以及接近LBO時(shí)出現(xiàn)的大尺度不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用千眼狼（Revealer）高頻Stereo-PIV系統(tǒng)的高時(shí)空分辨率與三分量測(cè)量能力，研究團(tuán)隊(duì)還原了中心分級(jí)旋流火焰在接近吹熄極限時(shí)的流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)特征，解析如下：

I. Stereo-PIV揭示中心分級(jí)旋流的回流區(qū)結(jié)構(gòu)

千眼狼（Revealer）高頻Stereo-PIV系統(tǒng)首先用于測(cè)量非反應(yīng)條件下的瞬態(tài)三分量速度場(chǎng)，并通過時(shí)間平均得到不同速度比條件下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著主級(jí)與引燃級(jí)速度比Rv 的變化，中心分級(jí)旋流燃燒器內(nèi)部的回流區(qū)形態(tài)發(fā)生變化（圖2所示）。

在較低速度比條件下，Stereo-PIV系統(tǒng)捕獲到的軸向速度場(chǎng)顯示，中心主回流區(qū)（PRZ）主要由引燃級(jí)旋流主導(dǎo)，回流區(qū)呈現(xiàn)較為緊湊的結(jié)構(gòu)，其范圍主要集中在燃燒器軸線附近。速度比逐漸增加時(shí)，Stereo-PIV測(cè)量結(jié)果顯示主級(jí)旋流噴流逐漸增強(qiáng)，并在下游區(qū)域與引燃級(jí)噴流合并。速度比繼續(xù)提高時(shí)，主級(jí)旋流成為主導(dǎo)動(dòng)力源，回流區(qū)位置向下游移動(dòng)，并形成更寬的高速射流結(jié)構(gòu)。 

千眼狼（Revealer）Stereo-PIV系統(tǒng)捕獲的這一系列速度場(chǎng)變化表明中心分級(jí)燃燒器的流場(chǎng)可根據(jù)速度比分為引燃級(jí)主導(dǎo)、雙級(jí)協(xié)同以及主級(jí)主導(dǎo)三種流動(dòng)模式，為后續(xù)貧燃吹熄實(shí)驗(yàn)的參數(shù)選擇提供依據(jù)，也說明旋流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化是影響火焰穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。

圖2 Stereo-PIV測(cè)量得到的不同速度比條件下時(shí)間平均軸向速度分布

II. Stereo-PIV模態(tài)分析揭示旋流主導(dǎo)結(jié)構(gòu)

基于千眼狼（Revealer）Stereo-PIV捕獲的瞬態(tài)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用SPOD方法進(jìn)行頻域模態(tài)分析，提取流場(chǎng)中的主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，識(shí)別不同頻率下能量占優(yōu)的主導(dǎo)流動(dòng)模態(tài)。

SPOD結(jié)果表明，在低速度比條件下，流場(chǎng)主導(dǎo)模態(tài)能量主要集中在引燃級(jí)旋流區(qū)域，呈反對(duì)稱分布，表明引燃級(jí)旋流的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)主導(dǎo)整個(gè)流場(chǎng)。當(dāng)速度比增加至中等水平時(shí)，主導(dǎo)模態(tài)能量同時(shí)出現(xiàn)在主級(jí)與引燃級(jí)噴流交匯區(qū)域，當(dāng)速度比進(jìn)一步提高時(shí)，主導(dǎo)模態(tài)的能量集中在下游區(qū)域，顯示主級(jí)旋流占據(jù)主導(dǎo)地位。

Stereo-PIV結(jié)合SPOD模態(tài)分析，可定量識(shí)別旋流燃燒器內(nèi)部的主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)及其能量分布位置，揭示氣流分級(jí)設(shè)計(jì)如何改變流場(chǎng)穩(wěn)定的機(jī)制。該分析基于Stereo-PIV獲得的瞬態(tài)速度場(chǎng)序列進(jìn)行頻域分解，從而提取流場(chǎng)的主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖3 基于Stereo-PIV速度場(chǎng)數(shù)據(jù)的SPOD第一模態(tài)空間分布（不同速度比）

III. Stereo-PIV識(shí)別貧燃吹熄前的關(guān)鍵流動(dòng)結(jié)構(gòu)

燃燒實(shí)驗(yàn)中利用千眼狼（Revealer）Stereo-PIV測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步研究火焰接近貧燃吹熄極限時(shí)的流場(chǎng)變化。當(dāng)量比逐漸降低至接近LBO時(shí)，原本由多個(gè)頻率組成的流動(dòng)結(jié)構(gòu)逐漸被單一低頻模態(tài)所主導(dǎo)，該低頻模態(tài)的空間分布主要集中在主回流區(qū)與火焰錨定區(qū)域。

Stereo-PIV數(shù)據(jù)表明低頻大尺度結(jié)構(gòu)周期性擾動(dòng)回流區(qū)內(nèi)部流動(dòng)，從而影響高溫燃燒產(chǎn)物向火焰根部輸運(yùn)。當(dāng)擾動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，火焰根部無法持續(xù)獲得足夠的活性自由基，導(dǎo)致局部熄滅并引發(fā)整體火焰吹熄。通過分析第一模態(tài)空間分布，可以清晰定位關(guān)鍵擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的位置及影響范圍。圖4展示了接近貧燃吹熄條件下的SPOD第一模態(tài)空間分布，揭示火焰錨定區(qū)域附近的大尺度不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖4 接近LBO條件下基于Stereo-PIV數(shù)據(jù)得到的SPOD第一模態(tài)結(jié)構(gòu)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

研究基于高頻Stereo-PIV與OH*化學(xué)發(fā)光同步診斷，揭示了中心分級(jí)旋流燃燒器貧燃條件下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)演化及貧燃吹熄（LBO）特性：

I. Stereo-PIV測(cè)量結(jié)果表明，隨著主級(jí)與引燃級(jí)速度比的變化，燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)呈現(xiàn)出由引燃級(jí)主導(dǎo)，主、引燃級(jí)耦合流動(dòng)到主級(jí)主導(dǎo)的三種典型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，改變了主回流區(qū)位置及剪切層結(jié)構(gòu)，從而直接影響火焰錨定位置和整體燃燒穩(wěn)定性。

II.接近貧燃吹熄極限時(shí)，流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)特征發(fā)生明顯變化。SPOD模態(tài)分析顯示，高頻湍流逐漸衰減，而低頻大尺度結(jié)構(gòu)逐漸增強(qiáng)并集中于回流區(qū)及火焰錨定區(qū)域，表明流場(chǎng)由小尺度湍流主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叨认喔山Y(jié)構(gòu)主導(dǎo)。這些結(jié)構(gòu)會(huì)周期性擾動(dòng)高溫產(chǎn)物向火焰根部的輸運(yùn)，削弱熱反饋與自由基供給，最終觸發(fā)局部熄滅并導(dǎo)致整體LBO。

 III. Stereo-PIV測(cè)量系統(tǒng)在研究中展現(xiàn)出重要技術(shù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間分辨率流場(chǎng)測(cè)量與動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)識(shí)別。通過5 kHz高頻立體PIV獲取三分量瞬態(tài)速度場(chǎng)，并結(jié)合模態(tài)分解分析，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜旋流結(jié)構(gòu)識(shí)別與關(guān)鍵不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)定位，為揭示燃燒穩(wěn)定機(jī)理和建立LBO預(yù)測(cè)模型提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。