燃料硫含量与nvPM排放对凝结尾迹形成的影响：基于CFD-微物理耦合模型的多组分有机化合物作用机制研究

航空业排放的凝结尾迹通过改变巡航高度大气特性对气候产生显著影响。本研究创新性地采用CFD-微物理耦合方法模拟涡扇发动机近场羽流中冰晶形成过程，揭示低温环境（212K）通过增强水过饱和度加速冰晶生长（平均半径达680nm），低硫燃料（FSC）增加冰晶数量而高硫燃料促进更大冰晶形成，有机化合物在高FSC/低温条件下主导颗粒表面活化。成果为精准预测凝结尾迹气候效应提供新工具。

　　

航空业蓬勃发展的背后，飞机发动机排放的凝结尾迹正悄然改变着地球大气的能量平衡。这些高空形成的冰晶云通过反射和吸收辐射，产生的辐射强迫效应已达到航空业总气候影响的2/3，远超CO₂
和NO_x
排放的贡献。然而当前全球模型对年轻凝结尾迹中冰晶数密度的预测仍存在20%的不确定性，这主要源于对羽流近场复杂多相作用的认知空白——包括湍流混合、硫化物化学转化、有机组分吸附以及颗粒活化等微观过程的耦合机制。

为突破这一瓶颈，法国ONERA的研究团队在《Journal of Aerosol Science》发表创新成果，首次建立2.5D轴对称CFD-微物理全耦合模型PAMMAP。该研究以CFM56-5B3涡扇发动机为对象，整合60个气相化学反应和22种活性物种，通过欧拉-拉格朗日框架追踪多组分颗粒演化，系统解析了燃料硫含量（FSC）、环境温度和碳烟排放指数（EI_N
）对凝结尾迹微物理特性的调控机制。

关键技术包括：1）Realizable k-ε湍流模型模拟可压缩共轴射流；2）基于M??tt?nen参数化的H₂
SO₄
-H₂
O二元均相成核算法；3）包含29种有机组分的表面活化模型；4）考虑Raoult效应和Kelvin效应的冷凝/冻结参数化；5）GCI方法验证的90,000网格中等精度计算域。

模型验证与羽流稀释特性
通过对比Schumann实测数据，验证了稀释比N_D
在10^-1
秒内的预测精度（误差<1%）。核心发现低温（212K）使羽流水过饱和度峰值达2.7，较225K工况提升近4倍，这为后续冰晶爆发式生长奠定基础。

燃料硫含量的双重效应
当FSC从700ppm降至20ppm时：1）H<2SO₄
摩尔分数降低1.5个数量级，使硫酸盐水合粒子浓度从10¹³
#/cm³
锐减至10⁹
#/cm³
；2）冰晶数量反增10%，因其通过提升水过饱和度将活化直径缩小至临界值以下；3）有机组分质量占比跃升60%，在颗粒表面形成C=O键主导的涂层。

温度调控的相变动力学
212K环境下：1）冰晶平均半径达680nm，较218.8K增长23%；2）颗粒表面Θ_aq
/Θ_non-aq
比值突破2.7，显示水溶性组分优势；3）150米处冻结比例达100%，而223K时始终为零。揭示-61°C是相变敏感阈值。

碳烟排放的尺寸悖论
EI_N
=1.38×10¹³
#/kg-fuel时：1）产生最大冰晶（600nm），因水分竞争减弱；2）有机/硫酸盐质量比(m_org
/m_sulf
)飙升至400，凸显低碳情景下未燃HC的关键作用。

这项研究首次在CFD框架中实现挥发性硫酸盐气溶胶的全过程模拟，揭示有机组分在低硫航空燃料场景下不可忽视的冰核活化作用。成果不仅为修订SAF（可持续航空燃料）气候效应评估模型提供理论依据，更指导通过优化FSC与燃烧效率的协同调控来实现航空业"降温"。未来可结合该模型探究生物燃料对contrail cirrus的抑制潜力，为国际民航组织（ICAO）的航空减排政策制定提供科学支撑。