梯度磁场对抗磁/顺磁气体射流的流场重构机制，采用千眼狼(Revealer)高频PIV系统定量研究。

1.实验背景

在燃烧、流体力学与磁场耦合的多物理场体系中，梯度磁场通过Kelvin力非接触调控流体，进而改变火焰形态与燃烧稳定性。然而，火焰在磁场下的行为受热梯度、组分浓度、磁作用力等多重因素叠加影响，传统研究难以从机理上剥离单一物理因素的影响。

为探究磁场效应的本征流体动力学机制，东南大学科研团队聚焦不同磁性与密度气体的非反应射流过程，引入千眼狼(Revealer)高频PIV系统作为核心诊断手段，精确量化微弱流场扰动与复杂的局部回流特征，为磁空气动力学机理分析、CFD 数值模型验证与理论模型构建提供关键实验支撑。

2.实验设备

实验设备由气体射流与梯度磁场发生系统、高频PIV系统、纹影可视化系统及氧浓度微测系统构成，实现流场形态、速度分布与组分浓度的多维度同步测量。

射流与磁场发生系统：采用高纯N₂、He、Ar、O₂（纯度>99.99%）作为工质，流量经质量流量控制器精确调控；梯度磁场由带有截锥形极帽的电磁铁产生，磁极间隙20 mm，通过线圈电流I（0~20 A）实现磁场强度与梯度调节。

高频PIV系统：本次研究的核心测量设备，由 532 nm 连续激光器、片光源光学组件、千眼狼（Revealer）X213 高速摄像机、同步控制器及 RFlow 后处理软件组成。示踪粒子选用1~2 μm二氧化钛粒子，流动跟随性优异；高速摄像机分辨率1280×1024@13600 fps，可清晰捕获瞬态流动结构；高速摄像机与激光由同步控制器触发，单工况采集500~1000帧图像，利用千眼狼(Revealer) RFlow软件的互相关算法（窗口32×32像素，重叠率50%）获得瞬时速度场与时间平均速度场。

辅助测量设备：纹影系统用于射流整体形态与边界可视化；光纤氧浓度微传感器，实现氧摩尔分数定点测量，与PIV速度场、纹影数据形成多维度验证，形成完整测量证据链。

图1 实验装置示意图 重点包含高频PIV系统

3.实验方法

实验采用控制变量法，固定射流出口平均速度，通过改变磁场强度I=0、10、15、20 A，分别对顺磁性与抗磁性气体射流开展测量。

采用千眼狼(Revealer)高频PIV系统获取yz对称面内z方向速度分量分布，捕获射流核心区、剪切掺混区与回流区的瞬态结构；同步使用纹影系统记录射流轮廓、压缩效应与停滞位置；采用氧浓度微传感器标定射流边界与扩散范围。

CFD仿真采用与实验一致的边界条件、磁场分布及物性参数计算流场，并与高频PIV系统实测数据逐点比对，验证数值模型可靠性。基于PIV标定的流场信息，建立包含初始动能、粘性力、浮力与Kelvin力的能量守恒方程，实现抗磁性射流高度的定量预测。

4.实验数据解析（高频PIV系统可视化测量部分）

本部分以高频PIV系统测量结果为核心证据，结合CFD、纹影、氧浓度数据，解析梯度磁场对射流流动的调控机制。

4.1 高频PIV系统速度场测量结果与CFD对标分析

图2为出口速度U=66.31 cm/s时，氮气射流在yz平面内z向速度分量的PIV实测速度场结果（左）与CFD模拟速度场结果（右）对比，黑色轮廓线为氧摩尔数为0.1的射流边界。

I. I=0 A（无磁场）：高频PIV系统清晰呈现典型层流射流结构，中心射流核心速度均匀，周围空气被卷吸，径向逐步扩展。

II. I=10 A（弱磁场）：高频PIV测得射流核心高度小幅降低，径向扩展受抑制，射流宽度收窄，说明磁场梯度开始对射流产生横向约束。

III. I=20 A（强磁场）：高频PIV系统捕获到关键瞬态流动特征，电磁铁极帽下方速度场出现负值区。表明顺磁性空气在Kelvin力驱动下向下逆流，与向上运动的抗磁氮气射流动量对冲，导致氮气射流动能耗尽，发生停滞并向下折返，形成与真实火焰行为相似的冷态回流特征。

上述高频PIV系统观测到的“磁阻效应”诱导的回流结构，与CFD模拟结果在空间分布与量值上高度匹配，证明高频PIV系统可有效捕捉磁场诱导的弱逆流、低速停滞与边界压缩等细微流场结构。

图2 氮气射流在I=0、10、20 A条件下的高频PIV系统测量的速度场与CFD模拟速度场对比，黑色实线代表氧摩尔分数为0.1的等值线，强磁场下高频PIV系统清晰捕捉到了向下的反向流区域

4.2 磁场对射流速度场与形态的影响规律

高频PIV系统测量结果表明，梯度磁场通过 Kelvin 力驱动顺磁性空气运动，对抗磁性射流形成约束、顶托与驱赶效应。随磁场强度提升，射流速度衰减加快、核心长度缩短、径向收缩，强磁场下出现停滞与回流。不同密度气体呈现差异化响应：氦气受浮力主导出现射流分裂，氩气因动量大衰减更快，氮气响应稳定可作为基准介质；顺磁性氧气则被磁场富集于高场强区域，以分子扩散为主。

4.3 射流高度预测与能量守恒机制

以高频 PIV 确定的射流停滞位置为高度基准，结合辅助测量数据建立修正能量守恒方程，可定量预测抗磁性射流高度，计算值与实验值吻合度高。该模型可外推至燃烧场景，表明磁场通过抑制射流、富集氧气实现火焰高度调控，进一步验证高频 PIV 测量结果可直接支撑燃烧磁调控机理分析与理论模型构建。

5.实验结论

本研究以千眼狼(Revealer)高频PIV系统为核心定量诊断设备，结合纹影、氧浓度传感器、CFD，系统揭示梯度磁场下抗磁与顺磁气体射流的磁空气动力学规律，关键结论如下：

I. 高频PIV系统可实现梯度磁场下气体射流瞬态速度场的高时空分辨率测量，定量捕捉射流压缩、速度衰减、停滞与回流等关键特征，为磁场-流体耦合研究提供定量实验数据，是燃烧流场磁场调控研究的核心测量手段。

II.梯度磁场通过Kelvin力对抗磁性气体射流产生驱赶与约束作用，随磁场强度提升，射流核心缩短、宽度收窄，强磁场下出现停滞与逆流；顺磁性氧气被磁场富集，以分子扩散为主。

III.气体密度通过影响初始动量与浮力做功，决定射流对磁场响应程度。

IV.基于高频PIV系统标定数据建立的能量守恒方程，可定量预测抗磁性射流高度，并可外推至燃烧场景，为磁场调控燃烧技术提供实验依据与理论支撑。

本研究验证了千眼狼(Revealer)高频PIV系统在磁场-气体-非反应流耦合诊断中的关键价值，其高时间分辨率可解析回流起始的瞬态过程，空间分辨率满足极帽间隙（20 mm）内的精细速度场表征。本方法亦可进一步拓展至弱反应预混火焰的磁场效应研究，为磁场调控燃烧、磁流体强化传热等领域提供可复现、可量化的实验方法与测量依据。

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