我国利用3D3C-PIV技术精细测量获突破
来源：中国能源新闻网 时间：2026-01-20 15:23
裴沛
近日，国内科研团队成功利用先进的3D3C粒子图像测速（PIV）层析体测量技术，对超音速燃烧火焰喷口近场的三维速度场与瞬态涡结构进行了高精度定量测量与可视化分析，这项技术突破将为我国航空航天发动机燃烧室设计与优化提供重要数据支撑。
技术创新：攻克强火焰自发光环境下的测量难题
在燃烧火焰研究中，传统测量手段面临极大挑战。高温、强辐射、高湍流的极端环境使得常规测量方法难以获得准确数据。特别是强烈的火焰自发光背景，严重干扰了测量信号的获取。
针对这一技术瓶颈，中科君达视界自主研发的“千眼狼”3D3C-PIV系统提出了创新解决方案。该系统在传统光谱滤波基础上，创新性地引入高速液晶快门技术，通过微秒级快速切换，将测量帧的有效感光时间精确控制在同一水平，从时间维度上有效抑制了火焰自发光的干扰。
“这项技术突破就像在强光环境下拍摄高速运动的物体，我们不仅要拍得到，还要拍得清晰、准确。”项目技术负责人介绍，“通过时间维度的精准控制，我们成功将粒子图像的信噪比提升了数倍，为后续高精度反演奠定了基础。”
实验突破过程：八大步骤确保测量精度
本实验围绕燃烧火焰喷口近场三维流动结构的定量获取，严格按照3D3C-PIV体测量规范实施，共八个关键步骤：
步骤一：测量区域光学定位与空间定义。实验首先对燃烧喷口近场测量区域进行光学定位，通过机械基准与激光指示对测量体积中心位置进行精确标定，明确三维测量区域在喷口轴向与径向的空间范围，为后续多相机布置与体测量坐标系统提供参考基准。
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步骤二：多相机体测量几何布置与视场覆盖优化。随后完成4台千眼狼PIV跨帧相机的空间布置，采用多视角跨帧成像方案，使各相机视场在测量体积内形成充分重叠，从几何布局层面保证体速度反演所需的视差信息，同时兼顾空间分辨率与成像稳定性。
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步骤三：Scheimpflug调整与全体空间清晰成像校正。为满足体测量中大视角、多倾斜成像条件下的清晰度要求，实验采用千眼狼自研Scheimpflug机构对各相机进行移轴与倾角调整，确保测量体空间内不同深度位置的粒子图像均处于清晰成像状态，从而避免因景深不足引入系统性误差。
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步骤四：激光照明对准与低能量预调试。在成像系统稳定后，开启双脉冲激光器并以最低能量模式进行照明调试，通过逐步调整激光出光位置与扩束状态，使体激光照明均匀覆盖燃烧火焰喷口近场测量区域，同时避免对火焰结构与示踪粒子分布产生额外扰动。
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步骤五：体标定图像采集与初始标定求解。完成光学系统与照明对准后，采集多组体标定板图像，并采用基于映射关系的多项式拟合方法进行初始几何标定，建立相机像素坐标与物理空间坐标之间的映射关系；
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初始标定结果显示平均拟合误差处于像素级水平，仅3个像素（全像素数量2100万），为体测量提供可靠几何基础。
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步骤六：体自标定与空间误差进一步修正。进一步引入体自标定方法，通过粒子图像的空间一致性对相机投影模型进行二次修正，有效降低多相机系统中的空间重投影误差，显著提升体速度反演的整体精度与稳定性。
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步骤七：同步时序优化与粒子图像正式采集。完成标定与误差修正后，对激光器、千眼狼PIV高速摄像机与高速液晶快门的同步时序进行精细化配置，使PIV帧对中两帧的有效感光时间保持一致，从而抑制火焰自发光对第二帧成像的影响；在稳定燃烧工况下，各相机从不同视角同步采集示踪粒子图像数据。
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步骤八：体重构、速度反演与三维结果可视化。最后，利用千眼狼自主研发的PIV后处理软件RFlow4对采集到的粒子图像进行体重构与三分量速度计算，在CPU与GPU加速条件下完成速度场与涡量场反演，并通过三维速度云图、涡量云图、切片、流线及等值面等方式对燃烧火焰喷口近场复杂流动结构进行多维可视化分析。
成果丰硕：多维可视化揭示复杂流动结构
通过这项技术，研究团队首次实现了对超音速燃烧火焰喷口近场三维流场的全方位观测：时均流场分析揭示了稳定存在的平均速度分布与主导流动结构；瞬时速度云图展示了射流核心区发展、剪切层扩展的动态过程；三维流场切片让研究人员能够从任意角度观察流场内部细节；三维流线与等值面直观展示了涡旋结构的空间形态与演化规律。
“这些可视化结果就像给复杂的燃烧流动做了'CT扫描'，让我们能够清晰看到火焰内部的三维结构。”参与研究的工程师表示，这对理解燃烧机理、优化燃烧室设计具有重要价值。
应用前景：助力我国航空航天技术发展
此次技术突破不仅实现了测量方法的创新，更为我国航空航天发动机研发提供了强有力的技术支撑。燃烧火焰的三维流动特征直接影响发动机的燃烧效率、稳定性和使用寿命，精准的测量数据将体现为：燃烧室优化设计提供可靠依据；提高燃烧效率降低燃料消耗；增强发动机稳定性提升安全性；延长部件寿命降低维护成本。
业内专家评价，这项技术达到了国际先进水平，标志着我国在燃烧诊断领域取得了重要进展。随着技术的进一步成熟和推广应用，预计将在航空发动机、超燃冲压发动机、火箭推进系统等多个高端装备研发领域发挥重要作用。
目前，该研究团队正致力于将这项技术向更广泛的工业应用领域推广，为我国的智能制造和高端装备发展提供技术保障。
责任编辑：许艳
