我國利用3D3C-PIV技術(shù)精細測量獲突破
來源：中國能源新聞網(wǎng) 時間：2026-01-20 15:23
裴沛
近日，國內(nèi)科研團隊成功利用先進的3D3C粒子圖像測速（PIV）層析體測量技術(shù)，對超音速燃燒火焰噴口近場的三維速度場與瞬態(tài)渦結(jié)構(gòu)進行了高精度定量測量與可視化分析，這項技術(shù)突破將為我國航空航天發(fā)動機燃燒室設(shè)計與優(yōu)化提供重要數(shù)據(jù)支撐。
技術(shù)創(chuàng)新：攻克強火焰自發(fā)光環(huán)境下的測量難題
在燃燒火焰研究中，傳統(tǒng)測量手段面臨極大挑戰(zhàn)。高溫、強輻射、高湍流的極端環(huán)境使得常規(guī)測量方法難以獲得準確數(shù)據(jù)。特別是強烈的火焰自發(fā)光背景，嚴重干擾了測量信號的獲取。
針對這一技術(shù)瓶頸，中科君達視界自主研發(fā)的“千眼狼”3D3C-PIV系統(tǒng)提出了創(chuàng)新解決方案。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)光譜濾波基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地引入高速液晶快門技術(shù)，通過微秒級快速切換，將測量幀的有效感光時間精確控制在同一水平，從時間維度上有效抑制了火焰自發(fā)光的干擾。
“這項技術(shù)突破就像在強光環(huán)境下拍攝高速運動的物體，我們不僅要拍得到，還要拍得清晰、準確?！表椖考夹g(shù)負責(zé)人介紹，“通過時間維度的精準控制，我們成功將粒子圖像的信噪比提升了數(shù)倍，為后續(xù)高精度反演奠定了基礎(chǔ)?！?/p>
實驗突破過程：八大步驟確保測量精度
本實驗圍繞燃燒火焰噴口近場三維流動結(jié)構(gòu)的定量獲取，嚴格按照3D3C-PIV體測量規(guī)范實施，共八個關(guān)鍵步驟：
步驟一：測量區(qū)域光學(xué)定位與空間定義。實驗首先對燃燒噴口近場測量區(qū)域進行光學(xué)定位，通過機械基準與激光指示對測量體積中心位置進行精確標定，明確三維測量區(qū)域在噴口軸向與徑向的空間范圍，為后續(xù)多相機布置與體測量坐標系統(tǒng)提供參考基準。
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步驟二：多相機體測量幾何布置與視場覆蓋優(yōu)化。隨后完成4臺千眼狼PIV跨幀相機的空間布置，采用多視角跨幀成像方案，使各相機視場在測量體積內(nèi)形成充分重疊，從幾何布局層面保證體速度反演所需的視差信息，同時兼顧空間分辨率與成像穩(wěn)定性。
圖2
步驟三：Scheimpflug調(diào)整與全體空間清晰成像校正。為滿足體測量中大視角、多傾斜成像條件下的清晰度要求，實驗采用千眼狼自研Scheimpflug機構(gòu)對各相機進行移軸與傾角調(diào)整，確保測量體空間內(nèi)不同深度位置的粒子圖像均處于清晰成像狀態(tài)，從而避免因景深不足引入系統(tǒng)性誤差。
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步驟四：激光照明對準與低能量預(yù)調(diào)試。在成像系統(tǒng)穩(wěn)定后，開啟雙脈沖激光器并以最低能量模式進行照明調(diào)試，通過逐步調(diào)整激光出光位置與擴束狀態(tài)，使體激光照明均勻覆蓋燃燒火焰噴口近場測量區(qū)域，同時避免對火焰結(jié)構(gòu)與示蹤粒子分布產(chǎn)生額外擾動。
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步驟五：體標定圖像采集與初始標定求解。完成光學(xué)系統(tǒng)與照明對準后，采集多組體標定板圖像，并采用基于映射關(guān)系的多項式擬合方法進行初始幾何標定，建立相機像素坐標與物理空間坐標之間的映射關(guān)系；
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初始標定結(jié)果顯示平均擬合誤差處于像素級水平，僅3個像素（全像素數(shù)量2100萬），為體測量提供可靠幾何基礎(chǔ)。
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步驟六：體自標定與空間誤差進一步修正。進一步引入體自標定方法，通過粒子圖像的空間一致性對相機投影模型進行二次修正，有效降低多相機系統(tǒng)中的空間重投影誤差，顯著提升體速度反演的整體精度與穩(wěn)定性。
圖7
步驟七：同步時序優(yōu)化與粒子圖像正式采集。完成標定與誤差修正后，對激光器、千眼狼PIV高速攝像機與高速液晶快門的同步時序進行精細化配置，使PIV幀對中兩幀的有效感光時間保持一致，從而抑制火焰自發(fā)光對第二幀成像的影響；在穩(wěn)定燃燒工況下，各相機從不同視角同步采集示蹤粒子圖像數(shù)據(jù)。
圖8
步驟八：體重構(gòu)、速度反演與三維結(jié)果可視化。最后，利用千眼狼自主研發(fā)的PIV后處理軟件RFlow4對采集到的粒子圖像進行體重構(gòu)與三分量速度計算，在CPU與GPU加速條件下完成速度場與渦量場反演，并通過三維速度云圖、渦量云圖、切片、流線及等值面等方式對燃燒火焰噴口近場復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)進行多維可視化分析。
成果豐碩：多維可視化揭示復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)
通過這項技術(shù)，研究團隊首次實現(xiàn)了對超音速燃燒火焰噴口近場三維流場的全方位觀測：時均流場分析揭示了穩(wěn)定存在的平均速度分布與主導(dǎo)流動結(jié)構(gòu)；瞬時速度云圖展示了射流核心區(qū)發(fā)展、剪切層擴展的動態(tài)過程；三維流場切片讓研究人員能夠從任意角度觀察流場內(nèi)部細節(jié)；三維流線與等值面直觀展示了渦旋結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)與演化規(guī)律。
“這些可視化結(jié)果就像給復(fù)雜的燃燒流動做了'CT掃描'，讓我們能夠清晰看到火焰內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)?！眳⑴c研究的工程師表示，這對理解燃燒機理、優(yōu)化燃燒室設(shè)計具有重要價值。
應(yīng)用前景：助力我國航空航天技術(shù)發(fā)展
此次技術(shù)突破不僅實現(xiàn)了測量方法的創(chuàng)新，更為我國航空航天發(fā)動機研發(fā)提供了強有力的技術(shù)支撐。燃燒火焰的三維流動特征直接影響發(fā)動機的燃燒效率、穩(wěn)定性和使用壽命，精準的測量數(shù)據(jù)將體現(xiàn)為：燃燒室優(yōu)化設(shè)計提供可靠依據(jù)；提高燃燒效率降低燃料消耗；增強發(fā)動機穩(wěn)定性提升安全性；延長部件壽命降低維護成本。
業(yè)內(nèi)專家評價，這項技術(shù)達到了國際先進水平，標志著我國在燃燒診斷領(lǐng)域取得了重要進展。隨著技術(shù)的進一步成熟和推廣應(yīng)用，預(yù)計將在航空發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機、火箭推進系統(tǒng)等多個高端裝備研發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
目前，該研究團隊正致力于將這項技術(shù)向更廣泛的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域推廣，為我國的智能制造和高端裝備發(fā)展提供技術(shù)保障。
責(zé)任編輯：許艷
