梁劍寒，李 韻，孫明波，吳 戈，朱家健，高 強(qiáng)，李 博

(1. 國防科技大學(xué) 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410073；2. 天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072)

高超聲速飛行器因其速度快、突防能力強(qiáng)的特點(diǎn)，具有廣闊的軍事應(yīng)用前景[1]。吸氣式高超聲速飛行器中，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為可靠的推進(jìn)方式，其研究備受關(guān)注，但也充滿著艱巨的挑戰(zhàn)[2]。究其原因，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)凈推力獲取困難，推力主要依靠超聲速燃燒提供的能量產(chǎn)生，必須高效利用。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的超聲速燃燒現(xiàn)象涉及湍流、激波、邊界層、化學(xué)反應(yīng)等多種現(xiàn)象的耦合，機(jī)理十分復(fù)雜[3]。因此，超聲速燃燒現(xiàn)象成為當(dāng)今高超聲速研究的熱點(diǎn)。在超聲速燃燒現(xiàn)象研究中，對火焰結(jié)構(gòu)的研究有助于揭示超聲速燃燒穩(wěn)焰機(jī)理和改進(jìn)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。合理的燃燒診斷技術(shù)不僅能夠在穩(wěn)態(tài)燃燒中實(shí)現(xiàn)高精度測量，更能夠應(yīng)用于復(fù)雜瞬態(tài)燃燒診斷[4]。平面激光誘導(dǎo)熒光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)技術(shù)具有非侵入式、實(shí)時(shí)原位測量、高時(shí)空分辨、可用于耐高溫高壓環(huán)境等獨(dú)特優(yōu)勢，其在火焰結(jié)構(gòu)的可視化中具有重要應(yīng)用[5]。

PLIF技術(shù)通過對燃燒過程中產(chǎn)生的重要中間產(chǎn)物或者自由基(如CH2O、OH和CH等)進(jìn)行高分辨率二維成像，從而實(shí)現(xiàn)對火焰結(jié)構(gòu)的可視化。CH2O常用于標(biāo)示火焰預(yù)熱區(qū)結(jié)構(gòu)，OH用于標(biāo)示火焰反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)，CH則用于標(biāo)示火焰放熱區(qū)的結(jié)構(gòu)。PLIF在研究開敞空間的低速射流火焰結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用廣泛。胡志云等[6]利用OH-PLIF獲得穩(wěn)定燃燒場的二維OH分布，并分析了激光區(qū)域內(nèi)的二維溫度場分布。趙建榮[7]、李麥亮[8]等利用OH-PLIF測量了多種平面火焰爐的火焰結(jié)構(gòu)，探索了PLIF理論與實(shí)驗(yàn)方法，并利用了PLIF實(shí)現(xiàn)了湍流火焰結(jié)構(gòu)成像。翁武斌等[9]使用OH-PLIF技術(shù)研究甲烷空氣預(yù)混射流火焰，探究在不同出口雷諾數(shù)與不同氮?dú)庀♂尡壤碌腛H分布及火焰鋒面結(jié)構(gòu)。Zhou等[10-11]使用CH/CH2O/OH-PLIF與HCO/CH2O/OH-PLIF成像火焰爐中湍流預(yù)混火焰的預(yù)熱區(qū)與反應(yīng)區(qū)等精細(xì)結(jié)構(gòu)，探究了各產(chǎn)物與自由基的分布和相互滲透情況。朱家健等[12]使用CH2O/OH-PLIF同時(shí)成像甲烷/空氣部分預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)，探索火焰分區(qū)分裂規(guī)律。

在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)直連式試驗(yàn)臺中開展PLIF實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)受到封閉空間內(nèi)壁面反射強(qiáng)、試驗(yàn)臺運(yùn)行時(shí)間短、難以在線優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)等因素的影響。這使PLIF技術(shù)診斷超聲速燃燒的火焰結(jié)構(gòu)時(shí)比開敞空間低速射流火焰更加困難。因此，在超聲速燃燒診斷中，PLIF技術(shù)常用于診斷相對較易測量的OH和CH2O。耿輝等[13]使用OH-PLIF技術(shù)探究超聲速燃燒火焰結(jié)構(gòu)與凹腔穩(wěn)焰作用。范周琴等[14]使用OH-PLIF技術(shù)探究噴注當(dāng)量比、噴注位置、凹腔構(gòu)型等對超燃火焰分布的影響。李麥亮等[15]使用OH-PLIF技術(shù)研究凹腔中不同長深比、凹腔后緣傾角和不同燃料噴注方案對超燃火焰結(jié)構(gòu)的影響。Chen等[16]使用OH雙色PLIF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對超聲速燃燒火焰溫度分布的測量。Rasmussen等[17]使用CH2O/OH-PLIF方法成像凹腔超聲速燃燒，并探究噴注位置對凹腔穩(wěn)焰效果的影響。

CH基在碳?xì)淙剂系娜紵磻?yīng)中起重要作用。與OH和CH2O不同，CH是僅存在于放熱區(qū)中的重要組分，其分布區(qū)域可以認(rèn)為是火焰鋒面所在區(qū)域，具有分布集中、存在時(shí)間短、擴(kuò)散影響小等優(yōu)點(diǎn)，對于研究細(xì)微的火焰結(jié)構(gòu)與火焰反應(yīng)機(jī)理具有重要意義。但是，由于CH基活性強(qiáng)、分布窄、壽命短、CH熒光效率低、易受雜散光干擾等特點(diǎn)，給CH基的PLIF測量(尤其是在超聲速燃燒環(huán)境中的測量)帶來極大的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)外利用CH-PLIF測量超聲速燃燒火焰結(jié)構(gòu)的研究非常少，只有Micka等[18]有過初步成果。Micka[18]使用CH-PLIF技術(shù)得到凹腔超聲速燃燒的火焰結(jié)構(gòu)圖像，得到兩種凹腔穩(wěn)焰下火焰的細(xì)微結(jié)構(gòu)。但是，Micka等在CH-PLIF實(shí)驗(yàn)研究中使用傳統(tǒng)的染料激光器，該激光器在CH的激發(fā)波段(390.3 nm)能量較低，熒光信號相對較弱。

本文基于可調(diào)諧Alexanderite固體激光器進(jìn)行超聲速燃燒火焰結(jié)構(gòu)CH-PLIF成像技術(shù)研究，探究使用CH-PLIF成像凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)的方法。先利用單組分CH基成像技術(shù)研究甲烷/空氣湍流預(yù)混火焰鋒面結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，再對凹腔超聲速燃燒火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，得到初步的超燃火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文在開展CH-PLIF實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在開敞空間低速射流火焰中進(jìn)行CH-PLIF技術(shù)的初步技術(shù)驗(yàn)證和系統(tǒng)優(yōu)化，再在超燃直連式試驗(yàn)臺利用CH-PLIF、OH-PLIF與CH自發(fā)輻射技術(shù)成像火焰預(yù)熱區(qū)的結(jié)構(gòu)。下文從光學(xué)診斷系統(tǒng)、火焰爐系統(tǒng)、超燃系統(tǒng)及圖像處理方法四個(gè)方面介紹實(shí)驗(yàn)方法。

1.1 光學(xué)診斷系統(tǒng)

CH-PLIF系統(tǒng)示意如圖1(a)所示，可調(diào)諧Alexanderite固體激光器(101PAL，Light Age)產(chǎn)生波長為774 nm的激光后，經(jīng)由固體倍頻器進(jìn)行二倍頻，輸出波長約387 nm的激光，單脈沖激光能量為15 mJ，頻率為10 Hz，脈寬為100 ns。激光光束通過高反鏡，進(jìn)入凹柱鏡(f=-40 cm)進(jìn)行擴(kuò)束，再經(jīng)凸透鏡(f=130 cm)聚焦為片狀激光，照射在燃具中央。激發(fā)出熒光后，熒光信號由ICCD相機(jī)(PI-MAX I, Princeton Instruments)采集，ICCD相機(jī)曝光時(shí)間為100 ns。接收進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。ICCD相機(jī)和Alexanderite激光器的時(shí)序由脈沖信號發(fā)生器(DG535)進(jìn)行同步控制。為了消除雜散光對PLIF信號的干擾，在ICCD相機(jī)鏡頭(Nikkor 50 mm,f/1.4)前加上窄帶濾光片IF431。

(a) 射流火焰爐實(shí)驗(yàn)中PLIF測量光路圖(a) Optical arrangements for PLIF measurement in the jet flame burner

圖1 射流火焰爐實(shí)驗(yàn)中PLIF實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及火焰圖片F(xiàn)ig.1 Schematic of the PLIF experimental setup in the jet flame burner and flame photos

為了與CH-PLIF實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，在光學(xué)診斷實(shí)驗(yàn)部分還開展了OH-PLIF實(shí)驗(yàn)和高速攝影實(shí)驗(yàn)。在OH-PLIF實(shí)驗(yàn)中采用Nd:YAG泵浦的染料激光器(Cobra Stretch-G-2400, Sirah)，波長為283 nm，能量為12 mJ，頻率為30 Hz。OH-PLIF系統(tǒng)采用的相機(jī)鏡頭為Nikkor紫外鏡頭，采用的濾光片為IF310，濾光片中心波長為431 nm，半寬為10 nm。其他實(shí)驗(yàn)裝置與CH-PLIF實(shí)驗(yàn)所用裝置相似。在高速攝影實(shí)驗(yàn)中，采用幀頻為50 kHz的高速相機(jī)(Photron Fastcam SA-5)拍攝火焰的圖像，相機(jī)鏡頭 (Nikkor 50 mm,f/1.4) 上安裝CH濾波片(IF431)，相機(jī)的曝光時(shí)間為18 μs。

1.2 火焰爐系統(tǒng)

開敞空間低速射流火焰爐采用協(xié)流-射流火焰爐，在協(xié)流和射流中通入甲烷和空氣預(yù)混氣體產(chǎn)生射流火焰和協(xié)流火焰。協(xié)流火焰用于防止周圍冷空氣對射流火焰的影響，協(xié)流火焰的當(dāng)量比為0.9，防止過量燃料對中心射流火焰的影響。中心射流火焰的當(dāng)量比、流速等可通過流量計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。開敞空間低速射流火焰爐CH-PLIF實(shí)驗(yàn)中采用低雷諾數(shù)與高雷諾數(shù)兩種不同工況(如表1所示)，中心射流火焰的當(dāng)量比都為1.15，流速分別為6 m/s和85 m/s，雷諾數(shù)分別為2800和27 300。低雷諾數(shù)工況下，噴孔直徑為8 mm，高雷諾數(shù)工況下，在8 mm噴孔上加裝直徑為1.5 mm的不銹鋼噴嘴，中心射流由噴嘴噴出。兩種工況協(xié)流層內(nèi)徑都為61 mm。典型的低雷諾數(shù)火焰和高雷諾數(shù)火焰圖片如圖1(b)、圖1(c)所示。

表1 火焰爐射流實(shí)驗(yàn)工況

1.3 超燃系統(tǒng)

CH-PLIF實(shí)驗(yàn)在國防科技大學(xué)1 kg/s超燃直連式實(shí)驗(yàn)臺上開展。超燃直連式實(shí)驗(yàn)臺由隔離段、帶光學(xué)觀察窗口的燃燒室和擴(kuò)展段等部分組成。超聲速燃燒實(shí)驗(yàn)使用空氣加熱器保證來流能夠達(dá)到實(shí)際高超聲速飛行工況，模擬超聲速燃燒入口的總焓?？諝饧訜崞魇褂每諝?、氧氣、酒精三組元混合燃燒的方法產(chǎn)生符合要求的模擬氣流，正常點(diǎn)火工作后，超聲速來流總溫為1530 K，總壓為2.6 MPa，馬赫數(shù)為2.92。加熱器工作之后，產(chǎn)生的模擬來流進(jìn)入燃燒室入口。加熱器與來流工況如表2所示。

實(shí)驗(yàn)光路示意如圖2所示，其中帶光學(xué)觀察窗口的燃燒室為凹腔超聲速燃燒實(shí)驗(yàn)段部分。凹腔長48 mm，深12 mm，后緣傾角45°，后緣高12 mm，在凹腔上游10 mm處設(shè)置燃料噴注孔，噴孔直徑3 mm，噴注燃料為乙烯。凹腔底壁安裝電子火花塞用于點(diǎn)火。擴(kuò)張段擴(kuò)張角為2.25°。光路基本與火焰爐實(shí)驗(yàn)保持一致，所不同的是由于凹腔在風(fēng)洞中所處位置特殊，采取三個(gè)高反鏡使激光進(jìn)入凹柱面鏡擴(kuò)束，再進(jìn)入凸透鏡轉(zhuǎn)化為片狀激光，從燃燒室頂部石英玻璃窗口照射在凹腔中部約24 mm處。

表2 凹腔超聲速燃燒實(shí)驗(yàn)段工況

圖2 凹腔穩(wěn)焰超燃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和PLIF實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig 2 Schematic of the configuration of the cavity-stabilized scramjet system and the PLIF experimental setup

1.4 圖像處理方法

為了更加清晰地觀察火焰結(jié)構(gòu)，需要對CH-PLIF原始圖像進(jìn)行后處理，圖像處理方法包括濾波及尺寸調(diào)整等步驟。

在濾波的圖像處理中，首先利用原始圖像減去背景圖像去除背景噪聲。此時(shí)仍可能殘留較大的激光范圍外的較強(qiáng)自發(fā)輻射熒光信號點(diǎn)，因此使用MATLAB中“腐蝕”與“膨脹”的操作，抓取火焰鋒面的形狀并將大噪點(diǎn)濾去。其次依據(jù)P-M擴(kuò)散方程[19]進(jìn)行非線性擴(kuò)散濾波，引入方差計(jì)算非線性擴(kuò)散系數(shù)函數(shù)，可以有效完成脈沖噪聲的消除并且保護(hù)圖像的邊緣特征。之后再進(jìn)行中值濾波操作，進(jìn)一步濾去噪聲。

濾波后利用二維標(biāo)尺對圖像進(jìn)行尺寸與位置校正?；鹧鏍t與凹腔標(biāo)尺圖像均為1024像素×1024像素的圖像，對應(yīng)尺度關(guān)系，可得火焰爐圖像中1像素約為0.03 mm。截取圖像中火焰區(qū)域，并根據(jù)對應(yīng)標(biāo)尺得到火焰結(jié)構(gòu)的尺度信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰爐實(shí)驗(yàn)

低雷諾數(shù)下甲烷和空氣預(yù)混射流火焰CH-PLIF圖像如圖3所示。CH常用于標(biāo)示火焰的放熱區(qū)。低雷諾數(shù)條件下，火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的分區(qū)。由文獻(xiàn)[8]可知，CH基所包裹的區(qū)域?yàn)镃H2O標(biāo)示的火焰預(yù)熱區(qū)，CH外側(cè)區(qū)域?yàn)镺H標(biāo)示的火焰反應(yīng)區(qū)。預(yù)熱區(qū)與反應(yīng)區(qū)接觸邊界為火焰鋒面，即CH分布區(qū)域。

(a) (b) (c)

(d) 圖3 低雷諾數(shù)下湍流預(yù)混火焰CH-PLIF圖像Fig.3 CH-PLIF images of a premixed jet flame under low Reynolds number

如圖3所示，在低雷諾數(shù)下，火焰鋒面仍然較規(guī)則，沒有明顯的褶皺等現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)類似于層流預(yù)混火焰。圖3(a)中，鋒面還未交錯(cuò)，放熱區(qū)呈現(xiàn)腰部變窄的長條形。圖3(b)中，兩側(cè)鋒面結(jié)合但還并未使得上下放熱區(qū)分離。圖3(c)中的放熱區(qū)已經(jīng)分裂成兩個(gè)小放熱區(qū)，其中上部放熱區(qū)呈現(xiàn)橢圓形，并且火焰鋒面有被拉長的趨勢，下部預(yù)熱區(qū)則呈現(xiàn)柱形。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是大尺度的湍流使火焰鋒面產(chǎn)生扭曲，增大火焰鋒面的面積的同時(shí)，使得火焰分裂成多個(gè)放熱區(qū)。截取圖3(a)中所示方框中的火焰鋒面并由信號強(qiáng)度分布的半高寬估計(jì)寬度，結(jié)果如圖3(d)所示。由實(shí)驗(yàn)前所拍攝標(biāo)尺與圖像像素長度對應(yīng)關(guān)系，估算出火焰鋒面的厚度約為0.6 mm。

如圖4所示，高雷諾數(shù)條件下，火焰中的CH輪廓比起低雷諾數(shù)時(shí)更加破碎，火焰鋒面褶皺程度增強(qiáng)。由圖4可以看出，在火焰鋒面褶皺程度增大的同時(shí)，鋒面局部區(qū)域發(fā)生多處合并，形成多個(gè)分離的局部放熱區(qū)域。圖3和圖4的CH-PLIF實(shí)驗(yàn)圖像表明，隨著雷諾數(shù)的進(jìn)一步增大，湍流對火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)的影響更加顯著，使得火焰鋒面的扭曲程度增強(qiáng)，火焰放熱區(qū)的形態(tài)發(fā)生劇烈變化。這兩種工況的對比說明了雷諾數(shù)對湍流火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)的重要影響，并且表明CH-PLIF技術(shù)可以清晰捕捉復(fù)雜的火焰放熱區(qū)分布及其細(xì)微結(jié)構(gòu)的變化，能夠?yàn)橄乱徊桨记恢械某曀偃紵鹧娼Y(jié)構(gòu)的研究提供有力的工具。

圖4 高雷諾數(shù)下湍流預(yù)混火焰CH-PLIF圖像Fig 4 CH-PLIF images of a premixed jet flame under high Reynolds number

2.2 超聲速燃燒火焰結(jié)構(gòu)CH-PLIF成像

凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒火焰結(jié)構(gòu)CH-PLIF圖像如圖5所示。在圖5所示圖像中，使用白線標(biāo)示出CH-PLIF信號的分布區(qū)域，即白線所標(biāo)示區(qū)域的內(nèi)側(cè)為CH-PLIF信號，外側(cè)為CH自發(fā)輻射區(qū)域。需要特別指出的是本文在進(jìn)行CH-PLIF實(shí)驗(yàn)時(shí)，ICCD相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置為100 ns。在開敞空間的火焰爐中進(jìn)行CH-PLIF成像時(shí)，ICCD采用100 ns的曝光時(shí)間并沒有觀察到CH的自發(fā)輻射信號，但是CH自發(fā)輻射信號卻出現(xiàn)在凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒火焰中。Micka等[18]的CH-PLIF實(shí)驗(yàn)也觀察到類似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這可能是由超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)CH自發(fā)輻射信號路徑積分的效應(yīng)較強(qiáng)而造成的。

(a)

(b)

(c)

(d)圖5 凹腔超聲速燃燒CH-PLIF圖像(phi=0.50, Ma=2.92)Fig 5 CH-PLIF image in a cavity-stabilized scramjet combustor (phi=0.50, Ma=2.92)

在CH-PLIF實(shí)驗(yàn)過程中，為了提高激光的激發(fā)效率，激光片(約15 mm)只照射在凹腔正中間區(qū)域。由圖5可以看出，圖像中的CH分布總體呈現(xiàn)連續(xù)層狀，放熱層厚度約為0.5～6.5 mm。由于PLIF圖像顯示的是火焰?zhèn)鞑ブ林髁飨掠翁幍膱D像，因此放熱區(qū)顯得更加褶皺也更厚，部分區(qū)域還出現(xiàn)了CH基處于近似孤立的簇叢而非薄層中的現(xiàn)象，如圖5(b)所示。由圖5(c)可以認(rèn)為放熱區(qū)正好處于向下游傳播的湍流結(jié)構(gòu)中，湍流使得放熱區(qū)發(fā)生高度褶皺。

使用CH自發(fā)輻射也可以顯示CH激發(fā)態(tài)的分布，進(jìn)而在一定程度上反映火焰放熱區(qū)的分布。圖6(a)為凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒中火焰CH自發(fā)輻射的測量結(jié)果。與圖5所示的CH-PLIF圖像相比，圖6(a)中呈現(xiàn)的CH自發(fā)輻射圖像為路徑積分的結(jié)果，沒有空間分辨能力，不能反映出火焰放熱區(qū)某些分離、破碎的結(jié)構(gòu)。OH-PLIF技術(shù)也常用于呈現(xiàn)火焰反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，如圖6(b)所示。OH-PLIF圖像雖然具有空間分辨率，但由于OH存在時(shí)間比CH長，更易擴(kuò)散，分布范圍比放熱區(qū)更大，不能顯示精確細(xì)致的火焰鋒面結(jié)構(gòu)，因此使用OH-PLIF成像火焰結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致火焰鋒面的結(jié)構(gòu)判斷失真。對比圖5與圖6可知，使用CH-PLIF可以更準(zhǔn)確地呈現(xiàn)火焰放熱區(qū)的結(jié)構(gòu)。

通過火焰爐火焰結(jié)構(gòu)與凹腔穩(wěn)焰的超聲速火焰結(jié)構(gòu)的CH-PLIF成像，可以看出CH-PLIF技術(shù)在探究凹腔超聲速燃燒火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)時(shí)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化與改進(jìn)后，CH-PLIF將具有全流域成像火焰放熱區(qū)細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力，這對于深入研究凹腔中超聲速燃燒穩(wěn)焰機(jī)理具有重要意義。

(a) CH自發(fā)輻射圖像(a) CH chemiluminescence images

(b) OH-PLIF圖像(b) OH-PLIF images圖6 凹腔CH自發(fā)輻射與OH-PLIF火焰結(jié)構(gòu)成像(phi=0.50, Ma=2.92)Fig 6 CH spontaneous emission images and OH-PLIF images in a cavity-stabilized scramjet combustor(phi=0.50, Ma=2.92)

3 結(jié)論

利用CH-PLIF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超聲速燃燒火焰放熱區(qū)結(jié)構(gòu)的可視化。首先使用CH-PLIF技術(shù)對低速條件下的火焰爐燃燒進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和系統(tǒng)優(yōu)化，得到清晰的火焰結(jié)構(gòu)并進(jìn)行分析，然后通過CH-PLIF獲得凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒火焰結(jié)構(gòu)，分析了火焰放熱區(qū)的分布。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在開敞空間的火焰爐中，火焰放熱區(qū)由于湍流影響會(huì)發(fā)生扭曲、褶皺和分裂等現(xiàn)象，隨著雷諾數(shù)的增大，火焰鋒面褶皺程度更加顯著。在凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒中，火焰放熱區(qū)高度褶皺和破碎，放熱區(qū)結(jié)構(gòu)的厚度為0.5～6.5 mm，同時(shí)也存在放熱區(qū)的分裂與剝離等現(xiàn)象。

由CH-PLIF圖像與OH-PLIF圖像、CH自發(fā)輻射圖像的比較可知，CH-PLIF技術(shù)能夠以較高的空間分辨率更準(zhǔn)確地呈現(xiàn)凹腔超聲速火焰放熱區(qū)的結(jié)構(gòu)，其在凹腔穩(wěn)焰的超聲速燃燒診斷中具有更大的優(yōu)越性和重要的應(yīng)用價(jià)值。