航空煤油单液滴在模拟高海拔条件下的点火与燃烧特性研究

为解决航空发动机高海拔重启难题，研究人员通过实验模拟6.1-9.1 km海拔环境（压力20-100 kPa，温度253-293 K），系统研究了航空煤油单液滴的点火与燃烧特性。发现点火时间与压力呈逆幂律关系，低压力下需更长的热积累期并伴随不规则微爆（microexplosion），火焰形态受浮力减弱影响更趋球形。该研究为新一代贫燃燃烧室（lean-burn combustors）设计提供了关键实验数据，发表于《Fuel》。

　　

随着航空业对燃油效率的追求，现代客机巡航高度多维持在6.1-9.1公里（20,000-30,000英尺），但极端低温（约265 K）和低压（约40 kPa）环境易引发发动机熄火（flame-out）。尽管国际航空安全法规强制要求商用飞机具备高空重启能力，但传统扩散火焰燃烧室（diffusion-flame combustors）在低密度空气中的点火性能显著下降。更棘手的是，航空业每年5%的CO₂排放增速促使新型贫燃燃烧室（lean-burn combustors）的研发，而这类设计对极端条件下的点火机制更为敏感。现有研究多聚焦常温低压或单一变量条件，缺乏对温度压力耦合作用的实验验证，导致数值模型缺乏可靠数据支撑。

针对这一空白，中国的研究团队在《Fuel》发表了突破性研究。他们构建了可模拟253 K/20 kPa极端环境的封闭燃烧室，采用高速摄像与热电偶同步监测技术，首次系统揭示了航空煤油单液滴在高海拔条件下的动态燃烧过程。通过控制压力（100-20 kPa）和温度（293-253 K）变量，量化了火花辅助点火（spark assisted ignition）时间与环境的非线性关系，并捕捉到液滴膨胀、选择性气化（preferential gasification）和微爆（microexplosion）等关键现象。

主要技术方法
研究采用3D打印燃烧室结合真空泵与液氮制冷系统，精确控制环境参数。通过悬挂液滴法生成直径可控的煤油液滴，利用高速相机记录燃烧过程，热电偶监测液滴温度（T_d）演变，并采用图像处理技术分析火焰形态与直径平方（D/D₀）²变化规律。

研究结果

1. 点火特性：点火时间与压力呈逆幂律关系，20 kPa时需比常压（100 kPa）长4倍的热积累期。温度降至253 K时，点火延迟变异系数增加35%，显示低温加剧了点火不稳定性。
2. 燃烧行为：低压下液滴出现"肿胀-气化-微爆"三阶段，20 kPa时微爆强度标准差比常压高2.3倍，碎片喷射角度扩大至120°（常压为60°）。
3. 火焰结构：低压削弱浮力效应，使火焰趋近球形，40 kPa时火焰驻留比（flame standoff ratio）比常压增加1.8倍。但温度变化对燃烧速率影响不足5%。

结论与意义
该研究首次实验证实了压力是主导高海拔点火性能的核心因素，其通过改变分子平均自由程和对流效率，显著影响热反馈机制。发现的微爆强度与压力负相关现象，修正了经典燃烧模型对低压环境的预测偏差。研究不仅为航空发动机重启系统优化提供了量化依据，其建立的实验方法还可用于可持续航空燃料（SAF）的快速筛选——这对实现航空业碳减排目标具有双重价值。作者团队特别指出，未来需结合X射线断层扫描等技术，进一步解析微爆过程中内部气泡的演化动力学。