高频Stereo-PIV系统揭示旋流火焰贫燃吹熄机理研究取得重要进展

来源：机经网 时间：2026-03-17 16:25

　　在航空发动机燃烧研究领域，解析旋流火焰的流场结构及贫燃吹熄机理一直是学界关注的重点课题。近日，某航空航天国家重点实验室科研团队利用千眼狼高频Stereo-PIV系统，结合OH*化学发光测量技术，对中心分级旋流火焰的贫燃吹熄机理开展系统研究，取得重要突破。

　　破解复杂流场测量难题

　　航空发动机燃烧室内部的旋流火焰涉及复杂的回流区结构和高频湍流，传统测量手段难以全面捕捉流场细节。特别是在贫燃吹熄发生前，流场由小尺度湍流向大尺度相干结构转变，需要极高的时间分辨率进行时域分析。此外，单面二维速度场无法完整描述旋流的轴向、径向及切向速度演化，对测量技术提出了更高要求。

　　针对上述难题，研究团队构建了高频流场测量平台，通过向流场中加入微米级氧化铝示踪粒子，利用激光片光形成测量平面，以5kHz重复频率获取燃烧器内部瞬态速度矢量场。每个实验工况采集约10000组瞬态流场数据，为统计分析和模态分解提供了可靠数据基础。同时，系统集成的OH*化学发光测量功能，实现了流场结构与火焰反应区域的同步观测。

　　流场结构演化规律首次系统揭示

　　实验结果表明，随着主级与引燃级速度比的变化，中心分级旋流燃烧器内部的回流区形态发生显著变化。在较低速度比条件下，中心主回流区主要由引燃级旋流主导，呈现较为紧凑的结构；速度比逐渐增加时，主级旋流喷流逐渐增强，并在下游区域与引燃级喷流合并；速度比进一步提高时，主级旋流成为主导动力源，回流区位置向下游移动，形成更宽的高速射流结构。

　　这一系列速度场变化表明，中心分级燃烧器的流场可根据速度比分为引燃级主导、双级协同以及主级主导三种流动模式。该发现为后续贫燃吹熄实验的参数选择提供了科学依据，也证实了旋流流场结构变化是影响火焰稳定性的关键因素之一。

　　模态分析识别主导动力学结构

　　基于瞬态速度场数据，研究团队进一步利用SPOD方法进行频域模态分析，提取流场中的主导动力学结构。分析结果显示，在低速度比条件下，流场主导模态能量主要集中在引燃级旋流区域，呈反对称分布；速度比增加至中等水平时，主导模态能量同时出现在主级与引燃级喷流交汇区域；速度比进一步提高时，主导模态能量集中在下游区域。

　　这种定量识别旋流燃烧器内部主导动力学结构及其能量分布位置的方法，为揭示气流分级设计如何改变流场稳定机制提供了新的分析手段。

　　贫燃吹熄机理研究取得关键突破

　　在火焰接近贫燃吹熄极限的实验中，当量比逐渐降低时，原本由多个频率组成的流动结构逐渐被单一低频模态主导。该低频模态的空间分布主要集中在主回流区与火焰锚定区域。数据显示，低频大尺度结构周期性扰动回流区内部流动，影响高温燃烧产物向火焰根部输运。当扰动增强时，火焰根部无法持续获得足够的活性自由基，导致局部熄灭并引发整体火焰吹熄。

　　通过分析第一模态空间分布，研究团队清晰定位了关键扰动结构的位置及影响范围，揭示了火焰锚定区域附近的大尺度不稳定结构特征。

　　为低排放燃烧室设计提供重要依据

　　本研究基于高频Stereo-PIV与OH*化学发光同步诊断，系统揭示了中心分级旋流燃烧器贫燃条件下的流场结构演化及贫燃吹熄特性。研究发现，接近贫燃吹熄极限时，流场由小尺度湍流主导逐渐转变为大尺度相干结构主导，这些结构会周期性扰动高温产物向火焰根部的输运，削弱热反馈与自由基供给，最终触发局部熄灭并导致整体吹熄。

　　业内专家认为，该研究通过5kHz高频立体PIV获取三分量瞬态速度场，结合模态分解分析，实现了复杂旋流结构识别与关键不稳定结构定位，为揭示燃烧稳定机理和建立LBO预测模型提供了关键实验数据支撑，对航空发动机低排放燃烧室设计具有重要参考价值。（李霞）

责任编辑：江蓬新