分層旋流燃燒器中接近LBO時刻的預混甲烷-空氣火焰流動特性和火焰動態（使用立體粒子圖像測速（Stereo-PIV）系統測量）。
1. 實驗背景
分層旋流燃燒技術因其在寬工況范圍內高效率、低排放特性而應用于低排放燃燒室設計中。在接近稀燃失效（LBO）極限工況下，復雜流場結構容易導致燃燒火焰局部淬熄甚至全局熄火，影響發動機安全與穩定。故深入理解分層旋流火焰LBO極限工況下的流場結構與火焰動態對先進燃燒的設計優化具有重要意義。
某重點實驗室科研人員，采用高頻同步OH*化學發光（CL）與立體粒子圖像測速（Stereo PIV）技術，對分層旋流燃燒器中接近LBO的預混甲烷-空氣火焰的火焰流動特性進行可視化定量研究。
2. 實驗設計
2.1 實驗設備
燃燒器：采用分層旋流燃燒器，具備同心雙級旋流結構，內級6葉片軸向旋流器，外級18葉片軸向旋流器，唇口結構為5 mm厚分離段，形成唇回流區（LRZ），唇部結構形成多個剪切層，外剪切層OSL、內剪切層ISL、唇剪切層LSL、中心剪切層CSL。
圖1 改進型分層旋流燃燒器
立體粒子圖像測速（Stereo PIV）系統：采用中科君達視界提供的千眼狼立體PIV系統，由雙腔Nd:YLF激光器、2臺萬幀級高速攝像機、粒子圖像測速PIV軟件、示蹤粒子等組成。
OH* CL觀測系統：1臺千眼狼高速攝像機搭載像增強器、UV鏡頭與308 nm帶通濾波器。
同步控制器：用于立體粒子圖像測速（Stereo PIV）系統與OH* CL觀測系統同步。
圖2 立體粒子圖像測速（S-PIV）系統
2.2 實驗工況
實驗設置一個非反應工況（NR）與四個反應工況（Case1~4），固定速度比VR=0.2（外級流速/內級流速）和分層比SR=0.5（內級當量比/外級當量比），通過總當量比?從0.60逐步降至0.50，模擬從穩定燃燒到LBO的梯度過程，具體工況參數如下：
備注：?=0.50為實驗測得的極限當量比，Case3為臨界狀態，此時火焰呈現周期性局部淬熄與再燃。
3. 實驗數據
3.1 非反應流場結構
圖3展示了千眼狼Stereo PIV測量的冷態（NR工況下）的時均軸向速度場，在VR=0.2非反應條件下，內級高速射流主導流場，形成喇叭形主回流區（PRZ），長度約x/D=0.8，同時存在唇部回流區（LRZ），由唇口幾何結構誘導產生，尺寸較小，x/D＜0.1。冷態測量結果為反應流場的密度分層效應提供了無擾動量化基準。
圖3 NR工況下的流場結構
3.2 反應流場與火焰結構演化
圖4展示了Case1~Case4四種工況下時間平均軸向速度與OH*CL強度分布，圖中發現：
PRZ長度x/D隨?下降而增加，從Case1的x/D=1.0增至Case4的x/D=1.2，反映回流區擴展對火焰穩定的影響。
火焰長度由 Case1的x/D=0.5增至Case4的x/D=1.0，歸因于層流火焰傳播速度下降而入口流速基本不變。
火焰主要沿ISL內剪切層穩定，呈喇叭形，外級火焰為主導，內級火焰始終未點燃。
圖4 Case1~4四種工況下時間平均軸向速度與OH*CL強度分布
3.3 瞬時流場與火焰相互作用
圖5展示了Case3(近LBO)工況下在一個預混渦旋破碎（PVC）周期內的瞬態OH*與速度矢量疊加圖，通過立體粒子圖像測速Stereo PIV系統的5 kHz高時間分辨率觀測，發現PVC沿CSL向下游螺旋運動，形成Z字形渦結構，PVC雖不直接接觸火焰鋒面，但可通過流場擾動干預熱效率分布，小幅提高?可恢復再燃事件，表明此狀態可逆。
圖5 Case3（臨近LBO）工況一個PVC周期內瞬態OH*光強場與速度矢量疊加圖
圖6則展示了Case4（最終LBO）工況下在全局熄火前的0.0332 s內的序列圖像。t=1.0826 s，火焰面首次出現明顯空洞；t=1.0886~1.0964 s，淬滅區沿ISL向上游擴展；t=1.1088 s，火焰脫離唇口，進入不可逆熄火階段。
圖6 Case4（最終LBO）工況瞬態OH*光強場與速度矢量疊加圖
3.4 基于Stereo PIV測量數據的空間線性穩定性分析
圖7 展示了利用Stereo PIV系統獲得的三維時均速度場，進行空間LSA，計算PVC的最大增長率沿軸向分布，發現：
Case1：PVC增長率在噴口處達到最大值0.75，隨后在內外級射流交匯區x/D=0.2迅速衰減，此處對應內外旋流射流的交匯區域，兩個射流的合并改變了流動場和火焰誘導的密度分層，觸發了局部不穩定性。
Case2：PVC增長率在噴口處再次達到最大值，然后迅速下降至x/D=0.1處的0.3。與Case1相比，相同軸向位置的射流交匯處，最大增長率顯示出正向增加，意味著當當量比降低時，產生了更多的局部流動不穩定性。
Case3：在射流交匯區0.1＜x/D＜0.2出現陡峭回升，PVC增長率從0.4躍升至0.75，對應局部淬熄高發區。
Case4：x/D=0.05，PVC最大增長率達到0.65，隨后在x/D＜1.1范圍內逐漸下降，1.1＜x/D＜1.6范圍內，最大增長率基本恒定，x/D＞1.6，開始緩慢上升至0.15，表明全局不穩定模式主導，促成最終LBO。
圖7 Case1~4工況下PVC最大增長率軸向分布
4. 實驗結論
利用中科君達視界提供的立體粒子圖像測速（Stereo PIV）系統和OH*CL同步測量，結合LSA，揭示了流場結構演化過程：
I. 從穩定燃燒到LBO，隨著當量比降低，PRZ長度逐漸增加，導致火焰傳播速度下降，流場不穩定增強。
II. PVC主要沿中心剪切層CSL發展，不直接接觸外級火焰，在射流交匯區的增長加劇導致局部淬熄，最終LBO時PVC全場增長導致火焰不可逆熄滅。
III. LSA預測的增長率峰值位置x/D＝0.2為火焰穩定性最脆弱的區域，燃燒室工程設計可加強此處燃油霧化或增設穩焰結構。
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