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我國(guó)利用3D3C-PIV技術(shù)精細(xì)測(cè)量獲突破

來(lái)源：中國(guó)能源新聞網(wǎng) 時(shí)間：2026-01-20 15:23

裴沛

　　近日，國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)成功利用先進(jìn)的3D3C粒子圖像測(cè)速（PIV）層析體測(cè)量技術(shù)，對(duì)超音速燃燒火焰噴口近場(chǎng)的三維速度場(chǎng)與瞬態(tài)渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高精度定量測(cè)量與可視化分析，這項(xiàng)技術(shù)突破將為我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要數(shù)據(jù)支撐。

　　技術(shù)創(chuàng)新：攻克強(qiáng)火焰自發(fā)光環(huán)境下的測(cè)量難題

　　在燃燒火焰研究中，傳統(tǒng)測(cè)量手段面臨極大挑戰(zhàn)。高溫、強(qiáng)輻射、高湍流的極端環(huán)境使得常規(guī)測(cè)量方法難以獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。特別是強(qiáng)烈的火焰自發(fā)光背景，嚴(yán)重干擾了測(cè)量信號(hào)的獲取。

　　針對(duì)這一技術(shù)瓶頸，中科君達(dá)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(mén)技術(shù)，通過(guò)微秒級(jí)快速切換，將測(cè)量幀的有效感光時(shí)間精確控制在同一水平，從時(shí)間維度上有效抑制了火焰自發(fā)光的干擾。

　　“這項(xiàng)技術(shù)突破就像在強(qiáng)光環(huán)境下拍攝高速運(yùn)動(dòng)的物體，我們不僅要拍得到，還要拍得清晰、準(zhǔn)確?！表?xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人介紹，“通過(guò)時(shí)間維度的精準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)突破過(guò)程：八大步驟確保測(cè)量精度

　　本實(shí)驗(yàn)圍繞燃燒火焰噴口近場(chǎng)三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)的定量獲取，嚴(yán)格按照3D3C-PIV體測(cè)量規(guī)范實(shí)施，共八個(gè)關(guān)鍵步驟：

　　步驟一：測(cè)量區(qū)域光學(xué)定位與空間定義。實(shí)驗(yàn)首先對(duì)燃燒噴口近場(chǎng)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行光學(xué)定位，通過(guò)機(jī)械基準(zhǔn)與激光指示對(duì)測(cè)量體積中心位置進(jìn)行精確標(biāo)定，明確三維測(cè)量區(qū)域在噴口軸向與徑向的空間范圍，為后續(xù)多相機(jī)布置與體測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)提供參考基準(zhǔn)。

　　步驟二：多相機(jī)體測(cè)量幾何布置與視場(chǎng)覆蓋優(yōu)化。隨后完成4臺(tái)千眼狼PIV跨幀相機(jī)的空間布置，采用多視角跨幀成像方案，使各相機(jī)視場(chǎng)在測(cè)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(shí)兼顧空間分辨率與成像穩(wěn)定性。

　　步驟三：Scheimpflug調(diào)整與全體空間清晰成像校正。為滿(mǎn)足體測(cè)量中大視角、多傾斜成像條件下的清晰度要求，實(shí)驗(yàn)采用千眼狼自研Scheimpflug機(jī)構(gòu)對(duì)各相機(jī)進(jìn)行移軸與傾角調(diào)整，確保測(cè)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。

　　步驟四：激光照明對(duì)準(zhǔn)與低能量預(yù)調(diào)試。在成像系統(tǒng)穩(wěn)定后，開(kāi)啟雙脈沖激光器并以最低能量模式進(jìn)行照明調(diào)試，通過(guò)逐步調(diào)整激光出光位置與擴(kuò)束狀態(tài)，使體激光照明均勻覆蓋燃燒火焰噴口近場(chǎng)測(cè)量區(qū)域，同時(shí)避免對(duì)火焰結(jié)構(gòu)與示蹤粒子分布產(chǎn)生額外擾動(dòng)。

　　步驟五：體標(biāo)定圖像采集與初始標(biāo)定求解。完成光學(xué)系統(tǒng)與照明對(duì)準(zhǔn)后，采集多組體標(biāo)定板圖像，并采用基于映射關(guān)系的多項(xiàng)式擬合方法進(jìn)行初始幾何標(biāo)定，建立相機(jī)像素坐標(biāo)與物理空間坐標(biāo)之間的映射關(guān)系；

　　初始標(biāo)定結(jié)果顯示平均擬合誤差處于像素級(jí)水平，僅3個(gè)像素（全像素?cái)?shù)量2100萬(wàn)），為體測(cè)量提供可靠幾何基礎(chǔ)。

　　步驟六：體自標(biāo)定與空間誤差進(jìn)一步修正。進(jìn)一步引入體自標(biāo)定方法，通過(guò)粒子圖像的空間一致性對(duì)相機(jī)投影模型進(jìn)行二次修正，有效降低多相機(jī)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。

　　步驟七：同步時(shí)序優(yōu)化與粒子圖像正式采集。完成標(biāo)定與誤差修正后，對(duì)激光器、千眼狼PIV高速攝像機(jī)與高速液晶快門(mén)的同步時(shí)序進(jìn)行精細(xì)化配置，使PIV幀對(duì)中兩幀的有效感光時(shí)間保持一致，從而抑制火焰自發(fā)光對(duì)第二幀成像的影響；在穩(wěn)定燃燒工況下，各相機(jī)從不同視角同步采集示蹤粒子圖像數(shù)據(jù)。

　　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(duì)采集到的粒子圖像進(jìn)行體重構(gòu)與三分量速度計(jì)算，在CPU與GPU加速條件下完成速度場(chǎng)與渦量場(chǎng)反演，并通過(guò)三維速度云圖、渦量云圖、切片、流線(xiàn)及等值面等方式對(duì)燃燒火焰噴口近場(chǎng)復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維可視化分析。

　　成果豐碩：多維可視化揭示復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)

　　通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)超音速燃燒火焰噴口近場(chǎng)三維流場(chǎng)的全方位觀(guān)測(cè)：時(shí)均流場(chǎng)分析揭示了穩(wěn)定存在的平均速度分布與主導(dǎo)流動(dòng)結(jié)構(gòu)；瞬時(shí)速度云圖展示了射流核心區(qū)發(fā)展、剪切層擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程；三維流場(chǎng)切片讓研究人員能夠從任意角度觀(guān)察流場(chǎng)內(nèi)部細(xì)節(jié)；三維流線(xiàn)與等值面直觀(guān)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(dòng)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(duì)理解燃燒機(jī)理、優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。

　　應(yīng)用前景：助力我國(guó)航空航天技術(shù)發(fā)展

　　此次技術(shù)突破不僅實(shí)現(xiàn)了測(cè)量方法的創(chuàng)新，更為我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。燃燒火焰的三維流動(dòng)特征直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率、穩(wěn)定性和使用壽命，精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)將體現(xiàn)為：燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)；提高燃燒效率降低燃料消耗；增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性提升安全性；延長(zhǎng)部件壽命降低維護(hù)成本。

　　業(yè)內(nèi)專(zhuān)家評(píng)價(jià)，這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，標(biāo)志著我國(guó)在燃燒診斷領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和推廣應(yīng)用，預(yù)計(jì)將在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭推進(jìn)系統(tǒng)等多個(gè)高端裝備研發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

　　目前，該研究團(tuán)隊(duì)正致力于將這項(xiàng)技術(shù)向更廣泛的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域推廣，為我國(guó)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