铁粉因具有高能量密度、全球可获得性以及闭环回收潜力，已成为一种很有前景的无碳能源载体。尽管单颗粒燃烧已得到广泛研究，但对于湍流、面向实际应用的铁粉火焰中颗粒动力学与温度演化的认识仍明显不足。本研究在甲烷辅助的湍流铁粉火焰中，采用平面粒子图像测速（PIV）与彩色相机高温测温法（CCP），测量了空间分辨的颗粒速度场以及二维颗粒温度分布。实验在一套具备光学可达性的实验室尺度燃烧器中开展，并系统改变氧气分级方式。总体氧气可利用度的提高显著改变了燃烧器近场流动结构，并提升了颗粒温度，导致火焰长度延长，平均颗粒温度超过2100 K。相比之下，在燃烧后期阶段补充额外氧气，主要维持了下游颗粒氧化，而对燃烧器近场温度场影响较小。这些结果表明，氧气分级与湍流混合的联合作用会强烈影响非均相（heterogeneous）颗粒氧化过程。联合诊断结果为高浓度铁粉火焰中流动结构与颗粒热行为之间的相互作用提供了定量认识，并为湍流铁粉火焰数值模型的验证提供了系统性的实验数据集。
该论文发表于《Fuel》，聚焦金属燃料燃烧中具有应用转化意义的关键问题：在湍流、高颗粒负荷和分级供氧条件下，铁粉颗粒的运动与热行为如何耦合演化。研究背景在于，铁粉兼具较高能量密度、资源丰富、低毒性以及可通过可再生电力还原再生等优势，被视为潜在的无碳储能与可调度供能载体，并有望用于既有固体燃料电站改造。然而，现有认识主要建立在单颗粒燃烧和层流粉末火焰基础上，对于实际燃烧系统更常见的湍流铁粉火焰，特别是颗粒速度场、二维温度场与局部供氧之间的关联，仍缺乏直接、定量、空间分辨的实验依据。此外，氧气可利用度不仅决定颗粒表面非均相氧化速率，也影响峰值温度与纳米颗粒生成倾向，因此有必要开展受控氧气分级研究。
围绕上述问题，研究人员在一套具备全光学通道的实验室尺度甲烷辅助铁粉燃烧装置中，系统比较了两类工况：一类同步提高主、次、三股来流的氧体积分数，另一类仅改变三级来流的氧体积分数。结果表明，总体增氧会显著改变扩压器与喷口近场流动组织，延长侧焰、压缩内回流区（IRZ，inner recirculation zone，内回流区），并提高颗粒平均温度与火焰长度；而仅对三级流增氧，则主要在下游持续供给氧化剂，延缓颗粒熄灭，对近喷口温度场和速度场影响有限。论文的重要意义在于：首次将彩色相机高温测温法（CCP，color-camera pyrometry）用于湍流铁粉火焰的二维平均颗粒温度场测量，并与平面粒子图像测速（PIV，particle image velocimetry）联合，实现了速度—温度耦合诊断，为湍流金属燃料燃烧模型验证与燃烧器优化提供了可靠实验基础。
方法概括：研究人员采用向下布置的同心环隙燃烧器与石英燃烧室，主流携带铁粉与预混氧化剂/甲烷，次流以45°射入形成旋流，三级流自燃烧室近壁环隙补入，三股来流氧浓度可独立调节。颗粒速度通过平面PIV获得，测区位于扩压器出口下游；颗粒温度通过单台工业彩色CMOS相机结合三带通滤光片实施CCP测量，并以钨带灯标定，建立颜色比—温度查找表（LUT）。研究同时评估了仪器因子、信号相关噪声、低信号阈值和视线积分（LOS，line-of-sight）误差，仅采用红绿通道比值用于温度反演。样品并非生物队列，而是不同供氧工况下采集的瞬时火焰图像与颗粒测速图像集合。
研究结果如下。
Particle velocities
研究首先给出了参考工况A21下的颗粒速度场特征。颗粒由主流进入后，在次流旋流作用下于扩压器内发生径向再分布，并在燃烧室入口下游主要集中于主射流（MJ，main jet）区域。主射流先向下传播，随后受内回流区影响向中心线偏折；部分颗粒被卷吸进入IRZ并向上回输，有助于火焰稳定，其余颗粒沿主射流继续向下游输运。主射流外侧存在外回流区（ORZ，outer recirculation zone，外回流区），将富氧三级流输送并卷吸至主射流附近，因此成为后续颗粒氧化与火焰发展的关键混合通道。通过这些测速结果，研究人员确认了铁粉火焰的整体流动受扩压器流动结构以及MJ、IRZ、ORZ三者相互作用共同控制。
Reference case
在参考工况下，速度剖面显示喷口近场在约r≈35 mm处存在明显主射流速度峰值，而中心线附近出现向上的正轴向速度，对应显著IRZ。随着下游发展，主射流与IRZ下方区域相互作用增强，速度差逐渐减弱；同时，来自ORZ的三级流持续卷吸，使外侧较陡的径向速度梯度逐步被抹平。由此可见，参考工况形成了稳定、可重复的IRZ稳定火焰结构，为后续比较供氧策略提供了基线。
Oxygen variation
当三股来流同时增氧时，最显著的变化发生在喷口近场。测速结果表明，随氧体积分数提高，扩压器内侧焰明显拉长，并在25%氧条件下导致速度剖面出现两个局部峰值，分别对应主流与次流颗粒通道。这说明延长的侧焰阻碍了主、次流在扩压器内充分汇合，使其以更分离的形式离开扩压器，同时将主流向中心偏折并压缩IRZ，造成主射流与IRZ之间速度梯度变陡。进一步地，这种结构使IRZ稳定火焰更容易向旋流喷流型火焰转变，表现出稳定性下降。相反，仅改变三级流氧浓度时，整体速度场几乎不变，说明火焰稳定与近场流动拓扑主要受主流和次流条件控制，而非由三级流直接决定。
Temperature measurements
温度测量部分是本文的核心贡献。研究人员利用CCP获得了二维平均颗粒温度场，并证明在当前光学与辐射条件下，红绿通道比值最适合反演铁粉颗粒平均温度。方法学分析表明，包含蓝色通道的比值受低信号水平和较大不确定度影响更强；同时，视线积分效应会使火焰中心线区域温度被系统性高估，因此外围剪切层区域的数据更具定量可信度。尽管如此，该方法仍能够可靠表征不同工况之间的相对差异，并提供大尺度湍流铁粉火焰中颗粒热状态的二维分布信息。
Reference case
A21工况下，温度场与颗粒流场形状总体一致，火焰近似轴对称，喷口下游先随扩压器出口尺度展开，随后向径向扩展至约y≈−50 mm，并可追踪至y≈−150 mm。近喷口外侧区域平均颗粒温度最高，达到约2060 K，而向中心线方向温度降低到约1850 K；不过论文明确指出，由于LOS投影，中心线处真实温度可能低于测得值。继续向下游，外侧高温峰逐渐变平，径向温度分布更均匀，这被归因于外层颗粒因氧更充足而更快燃尽，随后在下游冷却。与既有数值研究比较可见，实验测得的主体温度范围与模拟中1800–2200 K的多数颗粒温度区间一致，但未捕捉到少量颗粒约2600 K的峰值温度，这与高温颗粒数量少、图像平滑及实验结果为时间与空间平均量等因素有关。
Oxygen variation
当三股来流同时增氧时，火焰长度显著增加，A23工况可延伸至约y≈−200 mm，A25估计可达−200至−250 mm；同时平均颗粒温度整体抬升，近喷口峰值平均温度超过2100 K，且较高温度沿整个火焰高度持续存在。这说明总体供氧增强不仅加快颗粒氧化，而且改变了近场流动与混合方式，从而同步强化了热释放与火焰维持。
相比之下，仅提高三级流氧浓度时，T23与T25的火焰拓扑与A21接近，而T0则明显缩短。近喷口y=−5 mm处，各T工况平均颗粒温度差异很小，表明这一位置主要受主流和次流气氛控制；但在更下游位置，T0温度明显下降，且至y=−100 mm时火焰已难以被温度测量捕捉，说明缺少三级氧供给会导致颗粒过早停止燃烧。T23与T25则在下游保持略高的平均温度，反映三级流卷吸进入主射流后能够持续支撑颗粒氧化。论文还指出，尽管A23与T25具有相同的全局空气燃料比（λ），但T25平均颗粒温度明显低于A23，说明三级流供氧并不会立即进入核心反应区，而是在混合过程中逐步发挥作用，因此具有“温和增氧”的效果。这一点对于抑制过高颗粒温度和潜在纳米颗粒生成具有实际意义。
讨论与结论总结：论文讨论部分强调，湍流混合、颗粒聚集与分级供氧共同决定了颗粒所处的局部氧浓度与传热传质边界条件，因此颗粒温度和氧化行为呈现明显空间非均匀性。CCP虽然受LOS投影限制，尤其在火焰核心区存在温度高估，但在外围剪切层仍可提供稳健定量结果；PIV与CCP的联合使用则使流动组织与颗粒热行为之间的联系得以直接建立。总体来看，本研究以实验方式阐明了：近场温度升高和流动重构主要来自主、次流增氧，而三级流增氧的主要作用是延续下游氧化过程。由此，氧气分级不仅是调控火焰稳定性和燃尽程度的手段，也可能成为控制峰值颗粒温度的重要策略。
研究结论翻译：本研究在一套具备全光学可达性的实验室尺度燃烧器中，利用平面PIV与CCP，对甲烷辅助湍流铁粉火焰开展了空间分辨的颗粒测速与平均颗粒温度测量，系统考察了主流、次流和三级流氧气可利用度的影响。PIV结果表明，颗粒速度场主要由扩压器流动动力学以及MJ、IRZ和ORZ之间的相互作用所控制；当三股来流同时增氧时，扩压器内侧焰被拉长，导致IRZ受压缩并部分失稳，而仅改变三级流氧浓度对速度场影响较小，说明火焰稳定主要取决于主流和次流条件。CCP结果表明，采用红绿通道比值可以可靠获得二维平均颗粒温度场，而蓝色通道相关比值受低信号与不确定度影响更大；LOS效应会使火焰核心区中心线温度偏高，但外围区域仍能提供稳健的定量信息。温度结果显示，同时提高三股来流氧浓度会显著增加火焰长度和平均颗粒温度，燃烧器出口附近峰值平均温度超过2100 K；相反，仅提高三级流氧浓度则主要在下游维持颗粒氧化，近喷口平均温度场基本不变。总体而言，PIV与CCP的联合应用为湍流铁粉火焰中的颗粒动力学与热行为提供了细致实验表征，为数值模拟验证和氧控金属燃料燃烧机理研究提供了重要依据。
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