航空煤油沉降罐中杂质颗粒动态迁移特性的数值模拟研究及其对油品清洁度的优化启示

针对航空煤油沉降罐低液位输油过程中杂质颗粒易被扰动抽出的难题，研究人员通过CFD-DEM耦合模拟，系统研究了不同工况下球形/非球形颗粒的运动特性及流场分布规律。发现颗粒密度(ρs＞5000 kg·m-3)、粒径(ds＞150 μm)会显著抑制颗粒启动，非球形颗粒阻力系数排序为四面体＞圆柱＞立方体＞球体＞椭球体。研究为优化油罐结构设计和输油参数提供了理论依据，对保障航空燃油清洁度具有重要意义。

　　

航空燃油的清洁度直接关系到航空发动机的燃烧性能和飞行安全，但燃油在储运过程中不可避免地会混入固体颗粒污染物。这些粒径多在10-200 μm的杂质（如金属碎屑、硅酸盐等）可能堵塞油路或磨损涡轮叶片。更棘手的是，在油罐低液位输油作业时，抽油管会对罐底已沉降的颗粒产生扰动，导致污染物重新进入燃油系统。如何控制这一过程中的颗粒迁移行为，成为保障航油质量的关键难题。

中国的研究团队在《Results in Engineering》发表论文，首次采用CFD-DEM耦合的欧拉-拉格朗日(E-L)框架，对沉降罐内颗粒动态特性开展系统性数值研究。通过构建三维油罐模型，结合EDEM-FLUENT联合仿真，分析了不同物性参数（密度、粒径、形状）和工况条件（管径DN、液位h、流速v）对颗粒迁移规律的影响。

关键技术包括：1）基于等效尺寸法建立非球形颗粒模型（四面体/圆柱/立方体等）；2）采用体拟合网格的全解析方法计算颗粒阻力系数；3）通过离散相模型追踪15万+颗粒轨迹；4）运用多因素方差分析评估输油参数敏感性。

【动态特性】
球形颗粒在罐底呈现变加速运动，当ρ_s＞5000 kg·m^-3且d_s＞150 μm时难以启动。重颗粒会向罐底中心聚集，形成直径约1.4m的空白区。

【形状效应】
非球形颗粒阻力系数排序为：四面体（C_d=1.251）＞圆柱＞立方体＞球体（1.151）＞椭球体（0.865）。边缘锐度每增加5μm可使C_d降低12%，而攻角增大会导致压差阻力显著上升。

【流场耦合】
小管径（DN80）、低流速（1.5 m/s）、高液位（0.8m）工况下，罐中心会出现回流涡旋，导致轻颗粒（d_s=10μm）做闭环流动难以排出；重颗粒（d_s=150μm）则沿径向扩散，使罐底中心浓度下降40%。

【多因素优化】
方差分析显示输油参数影响权重为：管径DN（P=1.02×10^-8）＞液位h＞流速v。当采用DN120管径、0.4m液位和5.5 m/s流速时，颗粒抽吸率可降低至66.76%。

该研究首次揭示了航空煤油罐内颗粒迁移的流固耦合机制，提出通过增大管径、降低液位等操作参数优化方案。工程上建议采用倒锥形罐底设计集中杂质，为制定航油储运标准提供了量化依据。未来可进一步研究多颗粒碰撞、温度场耦合等复杂工况下的颗粒行为。