《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Composition effects in transcritical turbulent mixing of sustainable aviation fuel surrogates
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研究人员针对现代航空发动机高压（总压比OPR达50–60）下可持续航空燃料（SAF）跨临界喷射混合过程，基于OpenFOAM耦合Cantera搭建大涡模拟（LES）求解器，并以酒精制喷气（ATJ）燃料POSF-11498（C-1）为对象，系统评估了含1、2及7
研究人员针对现代航空发动机高压（总压比OPR达50–60）下可持续航空燃料（SAF）跨临界喷射混合过程，基于OpenFOAM耦合Cantera搭建大涡模拟（LES）求解器，并以酒精制喷气（ATJ）燃料POSF-11498（C-1）为对象，系统评估了含1、2及7种组分的替代物配方对混合演化的影响。结果表明：该OpenFOAM-Cantera LES框架在跨临界射流混合基准下验证可靠；七组分替代物能较完整复现真实流体的等压比热伪沸腾峰与密度分层；二元替代物以约一半计算成本可复现七组分的主要混合统计量；单组分替代物则无法捕捉多组分引起的临界性质抬升与伪沸腾（pseudo-boiling）效应。研究量化了替代物物种数在发动机类跨临界条件下对预测精度与计算开销的权衡，为SAF跨临界喷射建模中的替代物选取提供了依据。
研究背景方面，航空业占全球温室气体排放约2.5%–3%，国际民航组织（ICAO）提出2050年净零目标，可持续航空燃料（SAF）因生命周期减排50%–80%成为中短期主流路径。现代航空发动机总压比（OPR）达50–60，液态烃燃料喷射处于跨临界或弱亚临界状态，此时表面张力与潜热概念失效，界面消失，出现连续非线性变化的伪沸腾（pseudo-boiling）现象。液体火箭发动机（LRE）多用单/双组分低温混合物，而重型多组分烃类燃料的跨临界混合机制研究不足；组分效应可抬升临界点，改变由经典雾化向致密流体混合的过渡。现有计算流体力学（CFD）进展多依赖柴油构型（如ECN Spray-A），SAF分子结构（HEFA、FT、ATJ路线）差异进一步放大真实流体与多组分非理想效应。研究人员此前工作指出等压比热伪沸腾峰是SAF与Jet A-2混合差异主控属性，本文聚焦替代物物种数在航空相关跨临界条件下对混合预测的影响。
关键技术方法上，研究人员采用基于OpenFOAM库并耦合Cantera获取真实流体热力学与输运属性的自研LES框架，对超临界室压、高温环境的单孔圆射流（代表高OPR航空发动机与贫油直喷LDI构型）进行模拟；借助BayeSAF工具箱构建POSF-11498的1、2、7组分替代物并与单组分表征对比；求解器先经多物种平流配置与Branam–Mayer低温氮射流两基准校验，再系统分析不同替代物下跨临界喷射与混合统计量及伪沸腾响应。
研究结果部分，引言（Introduction）指出跨临界喷射下经典喷雾描述失效，伪沸腾延迟完全混合，多组分临界抬升使纯组分超临界态转为有效亚临界，SAF的ATJ燃料POSF-11498因高支链异石蜡主导具低衍生十六烷值（DCN），对替代物建模提出挑战，从而引出本文评估物种数效应的动机。方法（Methods）给出完全可压缩Favre滤波质量、动量、能量及化学物种守恒方程，明确真实气体热力学闭合与保证强分层真实流体数值稳定性的算法。验证（Validation）通过多物种平流算例检验陡梯度鲁棒性，以Branam–Mayer液氮射流验证湍流射流演化与标量混合，确认求解器可靠。替代物设置（Surrogate mixtures）利用BayeSAF组装七组分基准及简化二元、单组分表征。结果与讨论（Results and Discussion）显示：七组分替代物复现伪沸腾峰与密度跃变最准；二元替代物以约50%计算成本匹配主要混合统计量；单组分失败于捕捉多组分临界抬升与伪沸腾。结论（Conclusions）翻译为：在航空发动机类跨临界条件下，替代物保真度显著调节真实流体现象与湍流混合统计；七组分配方精度最高但昂贵，二元替代物在成本半减下保留核心物理，单组分不宜用于SAF跨临界混合预测；研究为发动机级SAF喷射模拟的替代物降阶提供量化准则。
该文发表于《International Journal of Heat and Fluid Flow》，其意义在于首次在航空相关跨临界射流中系统分离“替代物物种数”这一变量，证明二元替代物可作七组分的高效代理，并警示单组分表征会抹去多组分伪沸腾机理，对SAF燃烧室建模的计算资源分配具有直接指导价值。
