喷雾与雾化特性对RQL研究燃烧室产生的非挥发性颗粒物（nvPM）排放影响的研究

《Fuel》：Exploring the impact of spray and atomisation properties on nvPM emissions produced by an RQL research combustor

　　

航空器有害排放所带来影响的关注，正推动航空业日益增加对可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）的采用。除可降低全生命周期CO₂排放外，与传统航空燃料相比，SAF还可显著降低非挥发性颗粒物（non-volatile Particulate Matter, nvPM）排放；既往研究已观察到，这种降低通常与更高的燃料氢含量（Fuel Hydrogen Content, FHC）相关。然而，对于高FHC燃料而言，nvPM的相对减排幅度在所有发动机功率工况下并不一致，其中最大收益通常出现在较低功率工况。为更好理解燃气涡轮发动机在使用不同燃料运行时影响nvPM生成的基础机制，除FHC之外，还需分离并确定其他参数对nvPM排放速率的贡献。基于此，本研究探讨了燃料雾化品质对nvPM生成速率的影响。

研究人员采用一套符合监管要求的nvPM采样与测量系统，对多种航空燃料在小型富油-急冷-贫油（Rich-Quench-Lean, RQL）研究燃烧室中燃烧所产生的排放进行了表征，所测燃料包括传统Jet A-1、SAF及SAF/Jet A-1混合燃料。该燃烧室的一项结构设计使研究人员能够在不改变主燃区（富油区）当量比的条件下独立调节雾化品质，结果表明，雾化品质降低会稳定地导致更高的nvPM排放。实测的nvPM质量排放指数（EImass）与数量排放指数（EInumber）显示出一定的燃料依赖性证据，即高FHC燃料产生的排放似乎较少受到雾化变化的影响。研究人员利用针对该雾化器的经验关联式，对排放测试期间燃料喷雾的索特平均直径（Sauter Mean Diameter, SMD）进行了估算；该关联式来源于在环境条件下开展的、基于激光诊断的独立喷雾标定实验。基于该关联式预测，小幅度的SMD增加3–4 μm（约5–6%）即可导致nvPM显著升高，EImass最高增加108%，EInumber最高增加87%。

该文发表于《Fuel》，围绕航空燃烧排放控制中的关键问题展开：随着航空业推进可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）应用，非挥发性颗粒物（non-volatile Particulate Matter, nvPM）减排已成为继全生命周期CO₂减排之外的重要议题。既有研究普遍表明，高燃料氢含量（Fuel Hydrogen Content, FHC）燃料通常能够降低nvPM排放，但这种效应并非在所有发动机功率条件下都保持一致，尤其在较低功率状态下减排收益更显著。这说明，仅用FHC解释不同航空燃料的nvPM生成行为仍不充分，尚需识别其他化学与物理因素的独立作用。雾化品质作为影响燃料蒸发、局部空燃比分布及富油燃烧区域形成的重要因素，被认为可能是解释不同燃料、不同工况下nvPM差异的重要机制之一。因此，本研究以一台非专有的富油-急冷-贫油（Rich-Quench-Lean, RQL）研究燃烧室为对象，尝试在控制主燃区空燃比不变的前提下，单独考察喷雾雾化品质变化对nvPM排放的影响，并分析这种影响是否随燃料性质而改变。

目前相关研究存在几个不足：其一，公开文献中关于发动机运行状态、喷雾品质与nvPM排放速率三者关系的直接实验数据相对缺乏；其二，SAF与传统Jet A/A-1虽然在“即插即用（drop-in）”意义上可兼容现有供油系统，但其密度、黏度、表面张力等物性差异仍可能改变雾化行为，从而影响排放；其三，FHC与芳香烃含量虽与烟炱/颗粒物生成密切相关，但不同燃料在不同工况下所呈现的排放差异，很可能还受到喷雾破碎与空气掺混程度的调制。基于这些问题，研究人员开展本项工作，目的在于将雾化品质从空燃比效应中解耦，建立其对nvPM排放影响的定量认识，并为理解不同组成航空燃料的颗粒物生成机制提供实验依据。

研究人员选取5种航空燃料进行试验，包括1种传统参考Jet A-1燃料（J-REF2）、1种完全配方化SAF（A-HA）以及3种含石蜡基SAF的混合燃料（B-REF、B-HE2、B-GTL）。其中，B-GTL具有最高FHC。燃烧试验在Cardiff University燃气轮机研究中心完成，采用小型罐式RQL燃烧室，并配置增材制造的预膜式气爆雾化器。该燃烧室的一项关键设计特征在于：通过单独控制穹顶供气（dome air），可以在保持主燃区空燃比（AFR_PZ）和总体空燃比（AFR_Gl）不变的条件下，仅通过降低雾化器空气流量来制造“细雾化（FINE）”与“粗雾化（COARSE）”两类状态，从而实现雾化品质效应的独立考察。研究结果表明，在所有燃料和所有测试组别中，雾化品质变差都会使nvPM排放明显升高；同时，高FHC燃料在雾化恶化时的排放增幅普遍较小，显示出一定的“燃料依赖性”或“抗敏感性”。这一发现说明，除FHC本身可降低颗粒物生成倾向外，高FHC燃料在面对喷雾品质波动时，可能还表现出较低的nvPM响应强度。该结论对于理解SAF在实际发动机中的排放优势具有重要意义，因为它提示SAF的环境收益可能不仅体现在基线排放更低，还可能体现在对雾化波动更不敏感。

就研究所用关键技术方法而言，本文主要采用了以下几类方法：首先，在加压高温燃烧试验平台上，利用RQL研究燃烧室开展5种航空燃料的稳态燃烧与排放实验，通过改变雾化器空气与穹顶空气分配实现雾化品质独立调控；其次，采用符合欧洲参考标准的nvPM采样与测量系统，联合AVL Advanced Particle Counter（APC）、AVL Micro Soot Sensor（MSS）和Cambustion DMS-500，对nvPM数量、质量及粒径分布进行测量，并将结果换算为排放指数（EI）；再次，在常温常压下开展独立喷雾标定实验，使用相位多普勒测速法（Phase Doppler Anemometry, PDA）测量液滴粒径与速度分布，并结合高速背光成像分析喷雾锥角与结构；最后，基于Lefebvre经验模型与线性回归建立雾化器专属的全局索特平均直径（Global SMD）预测关联，用于估算燃烧排放测试条件下的喷雾液滴尺度。

以下结合论文结果部分各小标题进行解读。

4.1. Combustion emissions measurements at elevated conditions
在加压燃烧条件下，研究人员首先分析了气态排放变化。结果显示，与对应的细雾化工况相比，粗雾化工况通常表现为NO_x降低、CO升高、未燃烃（UHC）升高，而CO₂变化不明显。这表明雾化变差会削弱燃料-空气混合并降低蒸发完全性，导致主燃区燃烧不完全，整体燃烧效率略有下降。同时，较高FHC燃料总体上倾向于产生略高的NO_x、较低的CO与UHC，反映出其燃烧更充分、火焰温度更高。

在nvPM方面，研究人员给出了EImass、EInumber和几何平均粒径（Geometric Mean Diameter, GMD）随FHC的变化。总体趋势与已有文献一致：FHC增加通常伴随nvPM质量、数量和粒径下降。与J-REF2相比，最高可观察到79%的EImass降低、54%的EInumber降低以及22%的GMD减小，其中FHC最高的B-GTL表现出最显著减排效果。不过，A-HA尽管FHC略高于J-REF2，却出现了最高19%的EImass升高和21%的EInumber升高。论文指出，这一异常现象可能与试验台波动、A-HA较差的雾化物性，或不同实验室GCxGC推算FHC带来的不确定性有关。由于A-HA与J-REF2之间FHC差值小于FHC估算不确定度，这两种燃料的真实FHC排序可能存在颠倒。

更关键的是，在保持AFR_PZ与AFR_Gl恒定时，单独降低雾化品质会使所有燃料的nvPM排放均升高。相对增幅分析表明，EImass最高增加108%，EInumber最高增加87%。相比之下，GMD变化仅为0–6%，且小于测量不确定度，因此其变化不被认为具有明确显著性。研究人员进一步观察到一种随FHC增加而相对增幅减小的趋势，即高FHC燃料在粗雾化条件下的排放恶化幅度更小。这一结果是论文最核心的发现之一，说明燃料组成不仅影响基线nvPM水平，也可能影响喷雾品质扰动向排放响应的传递强度。

4.2. Benchmarking spray measurements at ambient conditions
4.2.1. Experimental observations
在环境条件喷雾标定实验中，研究人员首先分析了喷雾锥角。结果显示，该预膜式气爆雾化器形成的喷雾锥角整体较稳定，约为60°，仅在较低空气流量下出现轻微收窄，变动幅度小于5°。据此，作者认为本研究中的排放差异不太可能主要由喷雾锥角变化造成。

随后，PDA测量获得了J-REF2在不同空气流量下的算术平均直径（Arithmetic Mean Diameter, AMD）、SMD以及液滴轴向/径向速度径向分布。结果表明，随着空气流量增加，整个径向范围内的AMD和SMD均下降，反映出更强的气动力增强了液滴破碎。轴向速度在中心线附近最高，随后向喷雾边缘快速衰减；径向速度分布则体现了旋流作用。SMD分布在中心区域仍可见较大液滴团，说明该喷雾在测量截面处可能尚未完全形成理想空心锥喷雾，二次破碎过程仍在进行。

4.2.2. Global SMD empirical correlations
研究人员进一步利用PDA多点数据计算全局SMD，并比较不同燃料在不同工况下的喷雾液滴尺度。结果显示，全局SMD随空气流量增加和燃油流量降低而减小，这与雾化文献的一般规律一致。不同燃料之间存在一定差异，其中高FHC的石蜡基SAF混合燃料通常形成更细的喷雾。固定工况下，不同燃料的最大全局SMD差值可达14.3 μm，约为21%。

随后，研究人员依据Lefebvre通用经验形式，以全局SMD和燃料物性为输入，回归得到雾化器专属经验关联式，其拟合常数为A = 1.347、B = 27.907，决定系数R² = 0.735。利用该关联式对燃烧排放试验条件下的SMD进行预测，结果表明所有工况的预测SMD均落在航空燃烧室常见推荐范围40–80 μm内。由细雾化切换至粗雾化后，预测SMD仅增加约3.1–4.0 μm，即约5–6%；但正是这一级别的小幅液滴尺度增大，却对应了前述高达108%的EImass与87%的EInumber增幅。这说明nvPM排放对液滴尺度具有高度敏感性。此外，燃料物性引起的跨燃料SMD差异约为11–12 μm，即16–17%。论文同时指出，该经验模型中B/A比值较高，意味着模型对黏性等液体物性影响赋予了较大权重，可能与该雾化器在低压低流条件下表现出低剪切（low-shear）特征有关。

最后对论文讨论与结论部分加以总结。作者强调，本研究的目的并非用该小型、低压RQL燃烧室直接代表在役大型航空发动机，而是借助受控平台揭示雾化与nvPM生成之间的基础物理联系。由于所用压力较低、工况更接近高推力当量比范围，且预膜式气爆雾化器在不同压力下可能表现出不同剪切主导机制，因此本文结果更适合作为机理层面的证据，而非工程排放因子的直接外推值。即便如此，研究仍清晰表明：在所考察条件下，nvPM排放对雾化品质变化高度敏感；更粗的喷雾、更大的预测液滴尺寸会显著增加颗粒物质量与数量排放，而高FHC燃料在相同雾化恶化幅度下表现出较弱的排放响应。与此同时，环境条件下的PDA喷雾标定试验可为加压燃烧工况下SMD趋势估算提供有效支持，尽管该方法无法纳入火焰辐射传热和蒸发等火焰内效应，但仍可用于解释燃料物性、运行参数与nvPM趋势之间的关系。研究还指出，石蜡基SAF混合燃料通常因较低表面张力、黏度和密度而形成更细喷雾，而A-HA由于芳香烃较高、物性较差，其液滴尺寸略大。作者认为，未来仍需在更高压力、带预热雾化空气条件下，继续比较SAF与传统航空燃料的喷雾行为，以更深入理解燃料物性、喷雾特征与nvPM排放之间的耦合关系。

结论部分可译述如下：本研究成功分离并量化了雾化品质对RQL燃烧室nvPM排放的影响。结果表明，在所研究工况范围内，nvPM排放对孤立的雾化品质变化高度敏感；当预测SMD仅增加3–4 μm（5–6%）时，EImass最高可增加108%，EInumber最高可增加87%。同时观察到燃料依赖性，即FHC较高的燃料在雾化品质下降时，nvPM相对增幅通常较小，提示高FHC燃料在一定工况下对雾化变化可能不那么敏感。研究还表明，基于环境条件PDA测量建立的全局SMD经验关联，可用于估算燃气涡轮典型高温高压条件下的液滴尺寸趋势，并辅助解释不同燃料与工况下的nvPM变化。总体而言，该研究为理解雾化对nvPM生成的影响及不同航空燃料物化性质在其中所起作用提供了有价值的经验数据。