航空煤油Jet A-1喷雾在高空再点火条件下的先进液滴粒径分析

为解决航空发动机高空再点火过程中燃油雾化特性不明的难题，S. Garcia团队采用1p-SLIPI LIF/Mie ratio技术，首次实现了233 K低温、0.3 bar亚大气压环境下Jet A-1喷雾的SMD（Sauter Mean Diameter）二维定量测量。研究揭示了液滴尺寸分布与压力、温度的关联规律，为优化发动机再点火性能提供了关键实验依据。

　　

在航空安全领域，发动机高空熄火后的再点火能力是关乎生死的关键指标。当飞机巡航在3万英尺（约9144米）高空时，燃烧室环境温度骤降至零下40°C（233 K），气压仅有0.3个大气压——这样的极端条件会显著改变燃油雾化特性，但此前科学界对其认知几乎空白。传统认知认为，低温会增大燃油粘度，而低压环境会削弱液滴破碎的惯性力，这些因素共同导致雾化质量恶化，形成更大尺寸的液滴。然而，这些假设长期缺乏实验验证，使得发动机设计师们只能依赖经验公式进行估算。

为破解这一难题，法国ONERA（航空航天研究院）的S. Garcia团队在《Fuel》发表突破性研究。他们搭建了能模拟高空条件的MERCATO实验台，首次将结构化激光平面成像（1p-SLIPI）与荧光/散射光强度比（LIF/Mie ratio）技术结合，成功绘制出低温低压环境下Jet A-1航空煤油的二维液滴粒径分布图。这项研究不仅填补了学术空白，更为发动机再点火系统的优化设计提供了科学依据。

关键技术方面，研究团队采用四大核心方法：1）配备液氮换热器的MERCATO实验台，可精确控制环境压力（0.3-4 bar）和燃油温度（233-298 K）；2）1p-SLIPI模块结合Nd:YAG激光器（532 nm），通过空间调制激光片光消除多重散射干扰；3）双sCMOS相机同步采集荧光（Nile Red标记）和米氏散射信号，经定制的MATLAB?程序处理生成SMD映射图；4）相位多普勒分析仪（PDA）作为校准基准，在Z=30 mm处建立粒径-信号强度查找表（LUT）。

研究结果部分呈现了系列重要发现：

2.1 实验装置与方法

可视化燃烧室配备压力旋流雾化器（K=0.331），产生60°张角的空心锥喷雾。通过对比有无SLIPI处理的图像，证实该方法能完全消除腔体反射干扰，准确还原喷雾真实形貌。

3.1 染料浓度对物性影响

验证了添加10-100 mg/L Nile Red染料对Jet A-1的粘度（最大偏差4.3%）、表面张力（0.8%）等关键参数影响可忽略，确保实验可靠性。

3.2 最小喷射压力界定

PLIF成像显示，当喷射压力低于3 bar时会出现"洋葱头"等非稳态雾化模式，确认3 bar为获得球形液滴的临界压力阈值。

4.1 压力温度影响规律

在常压条件下（P_A=1 bar），液滴SMD随温度降低显著增大：293 K时边缘SMD约75.7 μm，233 K时骤增至110 μm。而提高喷射压力（3→6 bar）可使中心区SMD从51.1 μm降至38.8 μm。

4.2 亚大气压环境特性

在模拟高空条件（P_A=0.3 bar）下，喷雾呈现独特的"均质化"特征——中心区SMD从常压下的40 μm翻倍至80 μm，而边缘最大SMD反而从120 μm降至100 μm。PDA测速揭示这是因低压导致轴向速度分布改变：中心区速度降低30%，边缘反而提升35%。

结论部分指出，这项研究首次定量揭示了高空条件下燃油雾化的三大规律：1）低温导致的粘度上升是SMD增大的主因；2）低压环境通过改变气动载荷分布，使喷雾形态从梯度明显的空心锥转变为更均匀的分布；3）1p-SLIPI LIF/Mie ratio技术可实现±10 μm精度的高分辨率测量。这些发现不仅修正了传统认知中关于低压环境影响的片面观点，更为重要的是，它们直接指出：现有发动机再点火系统在极端条件下可能存在燃油-空气混合不足的缺陷——因为增大的液滴尺寸会显著降低蒸发速率，这正是高空点火失败的关键诱因。

研究团队在讨论中展望，下一步将结合高速气流条件完善实验，并基于所得数据建立更精确的雾化关联模型。这项工作为航空安全领域树立了新标准，其方法论也可拓展至火箭推进、燃气轮机等其他极端环境下的两相流研究。