问题——低排放需求下的“稳定性瓶颈”亟待突破 在航空发动机向低排放、宽工况方向发展的背景下，贫燃预混等技术路线受到广泛关注；贫燃工况能够降低部分污染物排放，但也会明显压缩燃烧稳定裕度，贫燃吹熄因此成为制约燃烧室可靠性与适航验证的关键难题之一。尤其在中心分级旋流火焰等典型构型中，旋流诱导回流、喷流耦合与湍流燃烧相互叠加，使吹熄临界点前后的流动—反应耦合机理长期难以被清晰捕捉并定量解释。 原因——复杂流场与瞬态演化对测量提出更高门槛 科研人员指出，中心分级旋流燃烧器内部流动具有多尺度、强非定常等特征：一是回流区结构与剪切层湍动并存，切向速度对火焰形态与稳定性影响突出；二是在接近吹熄的短时间窗口内，流场可能从小尺度湍流主导逐步转为低频、大尺度相干结构占优，变化快且具有突发性，采样频率不足时容易错过关键“前兆信号”；三是传统二维测量难以同时表征轴向、径向与切向速度的协同演化，导致对旋流主导机制的判断存在不确定性。多重因素叠加，使得需要具备高时间分辨率、可获取三分量速度信息的诊断手段。 影响——高频三分量测量为揭示吹熄前兆提供“观测窗口” 针对上述难点，该国家重点实验室科研团队搭建了以高频Stereo-PIV为核心的流场测量平台：在流场中加入微米级示踪粒子，通过激光片光形成测量平面，以较高重复频率获取燃烧器内部三分量瞬态速度矢量场；每个工况采集约万组瞬态数据，为统计分析与动力学识别提供数据基础。平台同时集成OH化学发光测量，用于表征火焰热释放率的空间分布，实现流场结构与反应区变化的同步观测，从而更准确地识别“流动—燃烧”耦合关系。 在非反应条件下的测量显示，随着主级与引燃级速度比变化，燃烧器内部回流区形态及喷流合并方式呈现规律性改变：低速度比时，引燃级旋流对中心主回流区影响更强，回流区更紧凑且更靠近轴线；速度比提高后，主级喷流增强，并与引燃级喷流在下游耦合；当速度比继续增大，主级旋流逐渐成为主导，回流区整体向下游移动，同时形成更宽的高速射流结构。研究认为，这种由速度比驱动的流动模式迁移可概括为“引燃级主导—双级协同—主级主导”三类，可为后续贫燃吹熄试验的参数选择、对比分析与稳定性边界判定提供更明确的流动学参照。 对策——引入SPOD模态分解锁定低频相干结构的关键作用 为从海量瞬态数据中提取主导动力学特征，团队引入谱正交分解（SPOD）开展频域模态分析，识别不同频率范围内能量占优的流动模态。结果表明，不同速度比下主导模态的能量分布及对称性差异明显：较低速度比时，能量更集中在引燃级旋流区域，并呈现较强的不稳定结构特征；随着速度比变化，主导模态逐步向两股喷流交汇区及回流区附近聚集，说明喷流耦合与回流区动力学对整体流场的控制作用增强。 更关键的是，在接近贫燃吹熄条件时，回流区附近会出现低频、大尺度相干结构，并占据更高能量权重。研究认为，这类低频结构的形成与回流区形态变化、剪切层发展以及两级旋流喷流耦合强度有关。它们通过改变局部掺混水平以及回流携带高温产物的能力，影响火焰锚定位置与热释放分布，进而决定贫燃条件下火焰能否维持稳定燃烧。同步的OH化学发光观测在热释放层面印证了这个结论，使“流动结构变化—热释放响应—稳定性退化”的关系更加清晰。 前景——为低排放燃烧室设计与稳定性评估提供可量化依据 业内人士指出，随着新一代航空发动机对低排放与高可靠性的要求提升，燃烧室设计需要更多基于机理的定量证据，而非依赖经验裕度。该研究通过高频三分量流场测量与模态识别，给出了接近吹熄时关键相干结构的可观测特征，为建立吹熄前兆判据、优化分级速度比与旋流组织方式、提升贫燃稳定裕度提供了实验支撑。下一步，如能在更贴近工程应用的高压、高温入口及多参数耦合条件下扩展验证，并与数值模拟相互印证，有望推动低排放燃烧室在更宽工况范围内实现稳定、可控运行。
从“看见”到“看懂”，高频三维流场诊断把贫燃吹熄此长期困扰工程应用的问题，拆解为可测量、可分析、可优化的关键环节。随着机理研究不断深入，面向绿色航空的低排放燃烧技术将获得更扎实的科学支撑，也将为我国航空发动机核心能力提升提供更可靠的基础保障。