ISOC 2026会议观察：高速PIV-PLIF同步测量揭示燃烧流动-反应耦合机制

近日,第41届国际燃烧学会议(The 41st International Symposium on Combustion,ISOC 2026)在日本京都举行。作为燃烧科学领域具有重要影响力的国际学术会议,ISOC长期关注燃烧反应动力学、湍流燃烧、低碳燃料、火焰稳定性、污染物生成以及先进光学诊断等研究方向。

图1-ISOC 2026 Revealer展台现场

随着氢能、氨燃料、可持续航空燃料及多组分替代燃料研究持续推进,燃烧实验关注的问题正在由单纯的火焰形态与宏观性能评价,进一步转向流动结构、组分输运和化学反应之间的瞬态耦合机制。燃烧过程中的剪切层、回流区和涡结构会改变火焰面的局部拉伸、褶皱与曲率,而放热反应、密度变化和组分扩散又会反向影响流场演化。若只测量速度场或只观测反应区,通常难以建立二者在同一时刻、同一空间位置上的对应关系。

在这一研究背景下,高速粒子图像PIV测速与平面激光诱导荧光同步测量PLIF技术,正在成为解析湍流燃烧多物理场耦合过程的重要实验手段。

从单一参量测量到流动—反应同步诊断

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)通过跟踪示踪粒子在激光片光中的瞬时位移,可以获得流场速度矢量、涡量、剪切率及回流结构等动力学信息,但不能直接表征火焰反应区的位置和强度。

平面激光诱导荧光(Planar Laser-Induced Fluorescence,PLIF)则通过选择性激发OH、CH、NH等特征组分或自由基,获得反应区、火焰锋面及中间产物的二维分布,但其本身不提供速度场和涡结构信息。

当PIV与PLIF分别进行或在不同实验轮次中测量时,即使边界条件保持一致,湍流燃烧过程的随机性也会使两组数据难以逐帧对应。因此,PIV-PLIF测量的关键并不是简单地将两套设备组合,而是实现两束片光共面、两套成像坐标统一以及激光器、高速摄像机和像增强器的精确同步,使速度场与荧光场真正对应于同一物理时刻和同一测量平面。

千眼狼(Revealer)高速PIV-PLIF同步测量系统

针对燃烧流动与化学反应同步诊断需求,千眼狼(Revealer)PIV-PLIF耦合测量系统将高速PIV与高速PLIF集成于统一的光学、时序和数据处理平台中,实现流动结构与反应区的同步成像和耦合分析。

系统采用220～566 nm可调谐激发光源,可根据目标组分选择相应激发波长,用于OH、CH、NH等特征自由基或燃烧中间组分的选择性激发与检测。通过高速激光器、高速摄像机和像增强器协同工作,系统可实现最高10 kHz量级的同步采集,使毫秒及亚毫秒尺度的火焰动态过程能够被连续解析。

在空间诊断方面,系统将PIV片光与PLIF激发片光整形为约0.3～1 mm的超薄片光,并通过合束和标定使两束片光尽可能保持共面,从而降低测量体积差异对耦合分析的影响。针对PLIF信号弱、背景辐射强的问题,系统可配置高信噪比像增强成像模块,通过窄带滤光、短门控曝光及背景抑制提高荧光信号的可辨识度。

同步控制是高速PIV-PLIF测量的另一核心。系统通过亚纳秒级时序控制统一协调PIV双脉冲激光、PLIF泵浦激光、可调谐染料激光、高速摄像机及像增强器门控窗口,使PIV粒子图像与PLIF荧光图像具有一致的时间基准。由此获得的数据不再是两组独立图像,而是可以进行坐标映射、同帧叠加和联合分析的时空耦合数据。

图2-Revealer PIV-PLIF同步测量系统。系统支持220～566 nm可调谐激发、10 kHz高时间分辨成像、亚纳秒级同步控制和0.3～1 mm超薄均匀片光,可用于燃烧流场与自由基反应区同步诊断

10 kHz高速PIV-PLIF实验

某国家实验室开展的一项火焰流动-化学反应耦合实验中,研究团队搭建了由光源模块、高速成像模块、同步控制模块、数据处理模块和燃烧平台组成的高速PIV-PLIF系统。

实验首先完成PIV片光与PLIF片光的空间耦合。两束激光经过扩束及柱面透镜组后形成准直片光,并在火焰测量区域内实现共面。随后利用共视标定板分别采集两套成像系统的标定图像,完成镜头畸变修正、坐标转换和空间映射,将PIV速度场与PLIF荧光场统一至同一物理坐标系。

时间同步方面,系统以高速摄像机帧触发作为主时基,根据PIV双脉冲间隔、PLIF激光发射延时和像增强器门控时间设置触发链路,使PIV采集端获得稳定的粒子位移信息,同时确保PLIF采集端在荧光信号有效时间窗内完成曝光。实验最终以10 kHz频率连续采集两路图像,并使时间戳与帧编号保持对应。

实验进一步修正脉冲间能量波动的影像,并对片光截面上的非均匀分布进行修正,使的荧光强度变化更接近火焰反应区的实际时空变化,为后续与PIV速度场进行耦合分析提供了数据基础。

当同一时刻的PIV速度场与PLIF荧光场完成坐标配准和同帧叠加后,火焰流动结构与化学反应区之间的关系能够被直接观察。实验结果显示,当局部速度场中出现较强瞬态涡结构时,附近火焰锋面往往同步出现褶皱加深、弯折或局部形态变化。耦合图像不仅能够显示涡结构如何接近和作用于反应区,还可用于判断流动扰动发生在未燃区、反应层附近还是燃后区域。

图3- PIV-PLIF耦合测量结果图:同帧叠加火焰速度场与OH荧光反应区,显示局部涡结构与火焰锋面褶皱、弯折之间的瞬态对应关系

测量结果说明,火焰面动态与局部剪切、涡旋输运及流体卷吸过程紧密相关。基于连续高速序列,还可进一步提取涡结构轨迹、火焰锋面曲率、局部速度梯度及荧光强度变化,分析流动扰动发生后反应区的响应时延和空间传播路径。

高速PIV-PLIF推动燃烧诊断迈向耦合解析

从ISOC 2026所关注的湍流燃烧、低碳燃料和先进诊断方向看,PIV-PLIF技术的价值在于建立流动扰动、组分输运与化学反应响应之间的可验证联系。千眼狼(Revealer)高速PIV-PLIF同步测量系统可为火焰稳定与失稳、点火与熄火、旋流燃烧、湍流火焰传播以及低碳燃料反应机理研究提供实验依据,推动燃烧诊断由单场观测迈向流动-反应耦合机制解析。