基于化学自发光的燃烧诊断技术对于发动机燃烧诊断非常重要。由于发动机燃烧室流场较为复杂，具有不稳定、湍流、三维等特性，绝大多数激光诊断技术无法用于精确地描述整个燃烧流场。而火焰的化学自发光与燃烧反应本身密切相关，基于化学发光的三维计算层析 (3D Computed Tomography of Chemiluminescence: 3D-CTC) 技术利用了化学反应产生的激发态自由基成像，结合CT (Computed Tomography) 技术，能够反演获得火焰三维结构和放热率的三维浓度分布。该技术不需要激光源，结构较为简单，成本低且操作性强，适合三维火焰结构以及燃烧的非稳态流场特性研究。对燃气轮机、冲压发动机等恶劣实验环境的复杂燃烧场诊断优势明显，有很强应用前景。

  本文对基于化学自发光的三维燃烧诊断技术开展了系统的研究：通过对甲烷预混火焰化学发光的定量测量实验与模型计算的对比进行了燃烧化学发光反应机理的初步研究；同时建立了单CCD耦合光纤束的3D-CTC多视角成像系统，并利用该系统进行了稳态火焰重构，极大提高该技术的适用性；针对发动机火焰，提出了大视场角下的模糊成像改进模型，并在算法上提出了基于BP神经网络的三维重构改进方法；将发展的3D-CTC技术进一步用于燃烧诊断，对燃气轮机的模型燃烧室进行了放热率的时空特性研究分析。

  首先，对甲烷预混火焰中的化学发光组份（OH*，CH*，C₂*，CO₂*）反应机理进行了初步探究。对不同当量比（φ=0.7 - 1.33）下，甲烷-空气预混火焰进行了辐射量化测量，并与一维火焰数值模拟对比。实验中采用波长分辨的光学收集系统，实现对多组份自由基的同时定量；数值模拟中系统分析了现有OH*，CH*的各反应通道和常数，并对比了放热分布与激发态物质（OH*，CH*，C₂*，CO₂*）的相互关系。研究结果表明，在甲烷-空气层流火焰中，OH*，CH*最合适标识放热率，C₂*次之，而CO₂*与放热率分布几乎无相关性。在自发光反应机理方面，利用模拟和实验结果，定量对比了不同反应通道的OH*和CH*生成量，评估了两自发光组份的主要生成反应路径。

  同时，探究3D-CTC的原理，建立了基于传统平行光束成像假设的重建方法，通过模拟分析了视角数目及噪声对重建精度的影响，并在甲烷/空气预混火焰平面炉上开展验证试验。针对平行光束成像模型的局限性建立了基于透镜清晰成像理论的的重建方法，提出了采用单个CCD耦合多光纤束的多视角成像系统以及三维空间标定方法，并于甲烷扩散环形火焰上进行了方法验证。通过对重建结果的尺寸以及形状分析发现其具有较好的重建准确性。

  然后，针对于发动机燃烧室等严苛的诊断环境，提出了大视场角下的焦外模糊成像模型和反卷积处理方案，并与传统的3D-CTC成像模型进行对比，验证实验表明，对于近距离大尺寸火焰的重建，考虑了成像的模糊效应后能够更好的反映实际火焰的结构信息。而且，针对内流火焰诊断中可能存在的遮挡等视角受限情况，进行了成像模型优化，分析了局部不完全成像对重建效果的影响程度。此后，从3D-CTC的层析重建算法着手，引入了基于BP神经网络的三维重建算法，与之前所用ART（Algebraic Reconstruction Technique）算法相比尽管效率较低却准确度高、适应性强，更有前景。

  最后，利用发展的3D-CTC技术开展火焰诊断，对燃气轮机模型燃烧室进行了放热率的时空特性研究。主要包括旋流火焰的放热率在时间上的热声振荡现象和空间的三维形态转变两方面。在燃烧形态转变方面，利用3D-CTC技术测量了全局当量比约0.65，总流速2.9 m/s至18.3 m/s的四个工况下旋流燃烧的CH*发光三维分布强度。以此表征放热率的三维分布，实现对旋流火焰放热空间形态转变的研究。实验是通过8个视角下的火焰二维成像来得到其三维CH*分布信息。为验证重建保真度，将重建的三维结果进行二维可视化，并与高速摄影下的二维时均结果进行对比，结果表明重建误差在5%以内。研究中，分析了不同雷诺数下放热率的空间变化规律，所有的实验工况下都显示了V形的附着火焰形态和沿着喷嘴方向的内部回流区。随着雷诺数的增加主要放热区域扩展明显且最大放热率随着流向移动。在旋流燃烧的热声震荡方面，利用CH*的二维高速摄影，对旋流燃烧的放热率不稳定性进行研究，发现放热率的振荡频率随着雷诺数的增大逐渐增加