实验采用3D3C-PIV层析重构技术，实现对超音速火焰喷口近场三维速度场与瞬态涡结构的定量提取。
1 实验背景
超音速火焰燃烧过程涉及复杂的流体动力学现象，如激波与火焰相互作用，高湍流度下的混合特性等。为优化航空发动机燃烧室设计以提升燃烧效率，获取喷火口处的三维流场速度分布及涡结构细节至关重要。
仅2D2C-PIV或2D3C-PIV系统难以全面表征流动组织，捕捉三维速度与三分量速度的定量流场信息。
因此，某重点研究所采用中科君达视界提供的软硬件全自主研发的千眼狼3D3C-PIV系统，借助4台千眼狼高速摄像机与体重构算法，获得喷口近场流场体速度场及涡结构，为航空发动机设计与机理研究提供支撑。
2 实验简介
2.1 实验目的
模拟超音速火焰燃烧后的流场，测量喷火口处三维流场速度与三维涡结构，定量观察火焰三维流动路径，为极端条件航天发动机设计提供实验数据支持。
2.2 实验设备
实验采用四台PIV相机跨帧成像的3D3C-PIV体测量方案，核心设备与步骤如下：
采集端：千眼狼PIV跨帧相机G2100M×4台，搭配尼康50 mm定焦镜头，核心参数：
脉冲激光器：低频双脉冲激光器，单脉冲能量500 mJ。
同步控制器：Quantum 8通道脉冲发生器。
示踪粒子：3 μm氧化铝粒子。
后处理软件：千眼狼RFlow4流场测量分析软件，包含体自标定模块，粒子重构模块，速度、涡量计算模块等。
2.3 实验难点与关键技术突破
喷火口火焰流场的PIV测量面临的技术难点在于强火焰自发光背景下的成像信噪控制问题，会直接影响粒子图像质量及三维速度场反演精度。受限于市面大多数PIV相机在跨帧模式下第二帧曝光时间不可调且显著长于第一帧的固有机制（图1），当实验场景中火焰自发光强烈时，第二帧图像易被化学自发光淹没，导致粒子散射信号对比度下降，增加速度计算不确定度。
图1
尽管在镜头前加装与激光波长匹配的带通滤光片可在一定程度上抑制环境杂散光，但由于火焰自发光谱中同样包含激光散射波段成分，该方法在火焰场景下难以从根本上解决第二帧信噪退化问题。本实验在光谱滤波基础上进一步引入千眼狼自研的高速液晶快门（图2），并通过定制同步控制实现液晶快门在微秒量级内完成“透光-截止”切换，使PIV帧对中第二帧的实际感光时间与第一帧保持一致，从而有效抑制火焰自发光干扰、提升粒子信噪比并降低三维流场测量结果的不确定度。
图2 液晶快门安装
2.4 实验过程
第一步实验首先需要对测量空间的中心位置进行光学定位
图3 光学定位
第二步完成四台PIV相机空间布置与定位
图4 PIV相机布设
第三步使用千眼狼自研Scheimpflug机构对相机进行移轴处理，以满足Scheimpflug成像定律，保证待测量的体空间内每个位置都可清晰成像（图5）。
图5
第四步打开激光器，使用最低能量进行照明，调整激光器出光位置，使体激光照明对准超音速燃烧器喷火口测量区域。
图6
第五步采集标定图像，随后采用映射方式为多项式拟合的标定方法进行第一次标定，平均拟合误差仅3个像素（全像素数量2100万），标定结果优秀。
图7 标定可视化
图8 标定结果
第六步再使用体自标定方法进行二次标定，根据自标定前后的投影函数可得，使用自标定后，平均空间误差降低了26.25%。
图9 体自标定
第七步调整激光器、PIV相机、液晶快门的同步时序后，四台PIV相机从不同视角捕捉粒子图像。
图10 原始粒子图像
第八步利用中科君达视界自研的千眼狼RFlow4软件进行粒子重构（CPU+GPU加速）与矢量计算（CPU+GPU加速），可视化生成速度矢量、云图、流线图与涡量云图、切片与等值面展示。
3 实验数据展示
3.1 粒子重构与精度控制
千眼狼RFlow4 PIV流场测量软件具备“粒子重构可视化”功能，重构区域内的粒子效果图如下：
图11 千眼狼RFlow4软件“粒子重构可视化”
图12 粒子重构精度
重构区域内的粒子命中率保持在95%以上，确保空间分辨率的可靠性。
3.2 复杂流场可视化
实验提取了喷火口中心及边缘的速度云图与矢量场，利用千眼狼RFlow4软件进行多维度可视化呈现如下：
1) 时均分析图：可提取喷火口近场稳定存在的平均速度分布与主导流动结构，从而为火焰整体流动组织特征、稳定回流区位置流场对比分析提供可靠基准。
图13 流场时均图
2）瞬时速度云图：可定量观测火焰燃烧后喷火口近场速度的空间分布，助力识别射流核心区发展、剪切层扩展及燃烧膨胀对流动路径的影响。
图14 瞬时速度云图
3）三维流场切片：支持从不同截面观测火焰燃烧后流场内部的三维速度梯度与结构连续性，解析流场内部的横截面流动细节。
图15 三维流场切片图
4) 流线图：用于展示火焰三维空间的宏观运动路径与膨胀趋势，结合等值线三维可视化云图，可直观观测火焰在空间上的速度梯度分布。
图16 流线图
图17 等值线三维云图
4 实验结论
本实验基于千眼狼3D3C-PIV体测量系统，完成喷火口近场流场的三维速度场与三维涡结构重构。通过体自标定技术、粒子重构技术、多维可视化技术，清晰展示了超音速火焰复杂的湍流演化现象，体速度场与涡结构同步测量助力工程师们更深入理解近场空气剪切层、卷吸机制与涡旋的互作机理。
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