掺水乳化航空煤油单液滴蒸发特性试验研究

Experimental Study on the Evaporation Characteristics of Emulsified Aviation Kerosene Single Droplets Mixed with Water

摘要

航空煤油在生产和运输过程中不可避免地会存在部分水分残留， 从而对航空煤油的蒸发燃烧产生影响， 针对该问题， 本研究采用单液滴挂滴法蒸发试验系统对质量分数1%的掺水乳化航空煤油开展了高温蒸发特性试验测试。选择不同初始体积的掺水乳化航空煤油液滴分别在473， 573和673 K的环境温度下进行了蒸发可视化测试， 从而为后续探讨最佳掺水比及燃油高值化利用提供参考。结果表明： 掺水乳化航空煤油液滴蒸发过程存在显著的微爆特性， 蒸发寿命缩短了42.7%， 液滴寿命与环境温度成反比。随着环境温度的升高， 液滴微爆时刻提前， 微爆强度增大， 在673 K下液滴微爆时刻最早为0.21 s·mm^-2， 寿命最短为0.79 s·mm^-2， 微爆强度最大为0.97； 随着初始液滴体积的增大， 微爆发生时刻延迟， 波动蒸发时间总体缩短， 2.0 μL微爆时刻最迟为0.85 s·mm^-2， 持续时间最短为0.19 s·mm^-2， 微爆形式由边缘微爆占主体向中心微爆占主体转变。

Abstract

In view of the unavoidable influence of some water residues on the evaporative combustion of aviation kerosene in the production and transportation process of aviation kerosene， the high-temperature evaporation characteristics of water-mixed emulsified aviation kerosene with 1% mass fraction were tested by using a single-droplet droplet evaporation test system. Evaporation visualization tests were carried out at ambient temperatures of 473， 573 and 673 K respectively， which provided a reference for the subsequent discussion of the optimal water ratio and high-value utilization of fuel. The results show that： there are significant micro-explosion characteristics in the evaporation process of water-mixed emulsified aviation kerosene droplets， the evaporation life is reduced by 42.7%， and the droplet life is inversely proportional to the ambient temperature. With the increase of ambient temperature， the droplet microburst time is advanced， and the the intensity of microbursts increases， and the earliest droplet microburst time is 0.21 s·mm^-2，the shortest life is 0.79 s·mm^-2 and the maximum micro-explosion intensity is 0.97 at 673 K. With the increase of the initial droplet volume， the microburst generation time is delayed， and the fluctuating evaporation time is generally shortened， with the 2.0 μL microburst moment being 0.85 s·mm^-2 at the latest， and the shortest duration being 0.19 s·mm^-2， then the micro-explosion pattern shifts from edge micro-explosion to center micro-explosion.

Graphical abstract

关键词

掺水乳化航空煤油 / 单液滴挂滴法 / 蒸发特性 / 微爆特性

Key words

water-mixed emulsified aviation kerosene / signle droplet hanging drip method / evaporation characteristics / micro-explosion characteristics

0 引　言

航空发动机通常使用航空煤油作为燃料， 由于航空煤油的生产和运输过程中存在渗漏、 干燥不充足等问题， 因而会导致部分水残留在航空煤油中， 这些水通常以自由水的形式沉降于油层底部， 或是在高频低幅振动的作用下以乳状水的形式存在于油层中^［1］。在燃油喷射过程中， 燃料液滴中的水会在进入燃烧室后同燃油一同受热， 但由于沸点的差异， 两者的蒸发过程存在显著差异， 微量的水在同燃油一同蒸发时可能引发液滴内部微爆， 将较大的燃油液滴分散， 有助于燃料的蒸发^［2］。因此， 研究不同条件下的掺水乳化航空煤油的蒸发现象尤为重要。

Qin等^［3］通过比较航空煤油和柴油的喷雾特性和燃烧特性， 发现航空煤油的雾化质量优于柴油， 具有更高的燃烧、 散热和工作能力， 火焰传播速度更快， 烟尘排放更低。Fu等^［4］在航空煤油中添加了正丁醇， 发现在10%的混合比例下， 混合燃料和纯航空煤油表现出相似的喷雾特性。Yang等^［5］研究了航空煤油燃料射流在空气横流中的射流轨迹， 发现当空气横流压力下降时， 空气动力学韦伯数减小， 穿透深度增加， 同时， 喷射液体的雷诺数平均液滴尺寸增加。

乳化燃料的蒸发特性不仅受燃料类型的影响， 而且受蒸发环境和液滴尺度的影响。Mura等^［6］研究发现乳化液液滴的蒸发过程不仅与液滴组分、 分散相大小、 乳化剂的种类和质量分数等有关， 还与分散系的表面暴露情况有关。黄杰^［7］研究了乙醇/水的比例对航空煤油RP-3单液滴微爆的影响， 发现单液滴归一化平方直径曲线剧烈抖动， 表现为增强吹吸现象， 单液滴寿命缩短了一半以上。王淑春^［8］的研究表明， 当低温液滴瞬时进入高温环境时， 环境的初始温度会直接影响瞬态蒸发过程， 从而影响蒸发寿命。胡佳康等^［9］研究了甲醇柴油乳化液滴的蒸发现象， 发现初始液滴体积的增大， 与微爆次数成正比， 与微爆强度成反比。Yin等^［10］的研究表明， 在0.1 MPa和873 K的条件下， 初始直径为1.156 mm的液滴在早期蒸发过程中的蒸发速度比初始直径为1.030 mm的液滴慢。这是因为微弱的微爆炸在一定程度上抑制了液滴PR70E30的蒸发， 同时由于气泡的形成增加了液滴内部的传热阻力。此外， 王兆文等^［11］研究发现， 随着环境温度的升高， 液滴内部气泡的生成逐渐由单位点成核向多位点成核转变， 使气泡的形成特征和微爆行为相关联， 分离了强微爆炸和弱微爆炸。Melo-Espinosa等^［12］指出影响掺水乳化柴油的吹吸和微爆特性的因素有液滴大小、 含水量等。Khan等^［13］指出， 大尺寸液滴微爆的关键因素是离散水核的聚集过程和聚集的大水核尺寸。

综上所述， 乳化液单液滴蒸发性能的影响因素得到了广泛的研究和关注。针对航空煤油在运输过程中必然会残留水分和掺水乳化航空煤油的系统可视化研究相对较少的现状， 本文采用可视化试验手段来研究水对航空煤油液滴蒸发特性的影响， 记录了掺水乳化航空煤油液滴蒸发历程， 并研究了环境温度与液滴初始体积对其蒸发特性及微爆特性的影响， 从而为掺水乳化航空煤油的高值化利用提供理论依据。

1 试验方法

1.1 掺水乳化航空煤油的制备

乳化液是指向油相中掺入水相后仍保持稳定的分散体系。乳化液的作用是使互不相容的油相和水相形成稳定的混合液。本实验采用航空煤油作为基础燃油， 选择疏水性的Span80和亲水性的Tween80作为乳化剂。

航空煤油本身组分复杂， 而乳化剂和航空煤油的沸点和密度相近， 且三者均为油相， 分子紧密结合， 同时乳化剂的浓度较小， 因此不会影响燃料蒸发特性^［14］。

根据试验需求设计了溶液配比方案， 如表 2 所示， 其中水的质量分数为1%。

利用0.1 mg精度的电子天平称取表 2 中标示量的航空煤油， 并向其中加入表 2 中标示量的乳化剂， 在机械搅拌的过程中添加标示量的水。待混合系整体呈现出较为稳定的性状后， 采用超声搅拌将水均匀分布到混合溶液中， 制备水相质量分数为1%掺水乳化航空煤油并量取25 mL。配制结束后在室温环境密封静置60 d后， 试样没有发生明显的分层现象， 如图 1 所示， 因此可以认定其为稳定的乳化液体系。

本试验通过移液器将乳化液从容器内转移到石英细丝上， 移液器量程为0~4 μL， 其最小刻度为0.04 μL。吸取液滴体积为0.6， 0.8， 1.0， 1.2， 1.6和2.0 μL悬挂于石英丝上。具体初始液滴直径如表 3 所示。

在制备特定体积液滴过程中， 系统误差为0.02 μL。因此， 制备0.6 μL大小的液滴时， 液滴的初始直径平方不确定度为

U_{\mathrm{0.6}}=\frac{\mathrm{\Delta }v}{v}=\frac{\mathrm{0.02}}{\mathrm{0.6}}=\mathrm{3.3}\mathrm{\%}\mathrm{。}（1）

同理可以得到， 制备0.8， 1.0， 1.2， 1.6和2.0 μL的液滴时， 液滴初始直径平方的不确定度分别为2.5%， 2.0%， 1.3%， 1.1%以及1.0%。试验中初始液滴体积的体积最小差比为20%， 不确定度远小于体积差比， 因此制取液滴过程中的系统误差不会影响试验的精度。

高温弹体内的温度为473， 573和673 K。每组工况重复3次， 保证试验的可靠性。

1.2 试验装置

悬置单液滴蒸发实验的装置示意图如图 2 所示。

试验装置由液滴传送系统、 高温蒸发系统以及图像采集系统构成。液滴悬挂在交叉的石英细丝上^［15］， 石英细丝固定在细陶瓷管上， 构成了一个液滴悬挂平台。将液滴悬挂平台固定于步进丝杆滑轨外伸悬臂上， 由步进电机将燃油液滴平稳精确地送到高温弹体中图像采集视窗的位置。高温蒸发系统包含高温弹体以及温度控制仪， 可以为燃油液滴的蒸发提供稳定的高温环境。高温弹体上方开有10 mm的小孔， 在液滴进入高温弹体前， 使用隔板将小孔覆盖， 避免液滴提前受热； 温控仪通过热电偶获取高温弹体内温度并通过PID控制调节加热功率， 使得高温弹体内温度保持稳定。相机使用千眼狼（Revealer）的5KF10型高速相机， 高速相机最大分辨率为1280×860， 最大拍摄频率为47 000帧/s。为了获得更清晰的液滴图片， 本研究选用了SIGMA公司的105 mm F2.8EX DG MACRO OS长焦微距镜头， 该镜头最大放大倍率为1∶1， 最小工作距离为0.105 m。在实验过程中拍摄频率设定范围为250帧/s， 相机曝光时间设定为1/1 000 s。

1.3 图像处理

受挂丝形态、 表面张力及重力作用， 液滴横向拉伸形成椭球形态。为消除形状不规则性对直径测量的影响， 保证液滴球形度， 本文采用微分体积法来计算等效直径， 就是将液滴等效为z方向上由单层像素高度的圆柱薄片构成的集合， 每个薄片高度为像素尺寸， 直径取y方向像素的总和。通过积分各薄片体积得到液滴总体积， 最终以等体积球直径D表征液滴尺寸， 图 3 表示该方法的图像处理流程示意图。

以变形度δ为标准评价液滴在挂丝和重力影响下的自然变形， 液滴在xOy面投影呈正圆， xOz和yOz面投影呈椭圆， 其长轴为a， 短轴为b， 变形度δ定义为

\delta =\sqrt[]{\frac{{\left(\frac{a}{R}\right)}^{\mathrm{2}}+{\left(\frac{b}{R}\right)}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\mathrm{。}}（2）

随着悬挂液滴的体积从0.6 μL增加至2 μL， 液滴的变形度δ从1.003 1降低至1.000 2， 变形度越接近1说明液滴的形状越接近正球。

基于Python OpenCV库进行图像处理， 并计算蒸发过程中液滴直径的变化， 处理流程如图 4 所示。首先使用高速视频分析软件将记录的试验视频逐帧导出； 然后通过普通布尔运算， 依据输入的像素体积和设定裁切范围的映射， 对图片进行批量裁剪； 通过手动设定卷积核的体积和图片灰度化阈值， 对图片进行滚动卷积处理， 识别设定的液滴轮廓特征， 将液滴附近的挂丝裁切掉， 进而获得液滴的像素体积； 最后， 输入液滴在三维空间的实际体积， 程序依照像素体积与实际体积的映射值， 对裁切后的图片进行批量处理， 计算其中液滴的相关参数， 并打包成表格文件输出。

1.4 数据处理

以0.6 μL初始体积的掺水航空煤油液滴蒸发试验为例， 其在473 K条件下的归一化平方直径随时间变化的曲线如图 5 所示。

按照蒸发曲线将液滴蒸发划分为三个阶段： 平稳蒸发阶段、 波动蒸发阶段和稳定蒸发阶段。液滴刚进入高温环境时， 稳定蒸发， 蒸发曲线线性减小。波动蒸发阶段以T_B为起始， 至T_S结束。从T_S直至液滴完全蒸发， 蒸发曲线重新回归线性减小。当液滴归一化平方直径为0或不随时间变化， 则蒸发结束。液滴发生微爆时， 蒸发曲线产生剧烈波动， 微爆强度I定义为单次波动的波峰、 波谷的差值与波峰之比。以第一次微爆强度为例， 其表达式为

I_{\mathrm{1}}=\frac{d_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}-d_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}}{d_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}\mathrm{。}（3）

2 试验结果分析

2.1 水相对航空煤油蒸发过程的影响

图 6 为2.0 μL初始体积的掺水乳化航空煤油液滴与纯航空煤油液滴在473 K条件下的蒸发曲线图。在航空煤油中加入水后， 由于两相沸点不同， 极大地影响了航空煤油液滴的蒸发特性， 由起初的平稳蒸发到出现明显微爆， 发生了蒸发模式的变化以及蒸发寿命的改变。在0~0.97 s·mm^-2内， 二者的蒸发现象相同， 都为平稳蒸发； 掺水后的航空煤油液滴在1.84 s·mm^-2时发生了第一次微爆， 且强度最大为0.94， 在2.19和3.14 s·mm^-2时发生了两次强度减弱的微爆； 在3.14~7.19 s/mm²内液滴稳定蒸发。由于微爆现象的出现， 二者的蒸发寿命产生了巨大差异， 纯航空煤油液滴为12.54 s·mm^-2， 掺水乳化航空煤油液滴为7.19 s·mm^-2， 寿命缩减了42.7%。

2.2 掺水航空煤油的蒸发过程

图 7 为初始体积为0.6 μL含水量1%的掺水航空煤油液滴在473 K条件下的归一化平方直径随时间变化的曲线。掺水航空煤油液滴的蒸发过程分为三个阶段： 0~1.290 s·mm^-2为平稳蒸发； 1.290~3.956 s·mm^-2为波动蒸发， 由于航空煤油和水的沸点不同而发生多次微爆炸导致曲线呈现起伏趋势， 1.422和1.558 s·mm^-2时液滴归一化平方直径大幅下降，液滴发生微爆； 3.956~28.686 s·mm^-2为稳定蒸发，液滴归一化平方直径稳定减小。

图 8 为初始体积为0.6 μL含水量1%的掺水航空煤油液滴在473 K条件下的蒸发形态变化情况。在0~1.290 s内， 液滴表面煤油蒸发， 液滴内部未形成水核， 液滴直径稳定下降； 在1.290~3.956 s内， 液滴内部开始出现微小气泡， 随着时间的推移， 气泡的生成频率逐渐提高， 不久后液滴内部可见明显的气泡聚集体， 液滴吸热气泡迅速膨胀。但是， 由于油相的存在， 液滴内外可承受一定的压差， 当内外压差大于油膜压力时液滴发生微爆， 并在表面张力作用下重新聚合成球状。液滴反复进行膨胀、 运动、 破碎、 再膨胀的循环过程， 总体行为呈波动规律。在3.956~28.686 s内， 液滴内部不再有新的气泡形成， 液滴体积开始较稳定地减小， 不再出现明显的形态变化。

2.3 环境温度对液滴蒸发规律的影响

图 9 为液滴在不同温度下归一化平方直径随时间变化的曲线。473 K时液滴平稳蒸发的时间为1.23 s·mm^-2， 微爆强度为0.94， 波动蒸发时间为0.94 s·mm^-2； 573 K时液滴平稳蒸发的时间为0.85 s·mm^-2， 微爆强度为0.96， 波动蒸发时间为0.18 s·mm^-2； 673 K时液滴平稳蒸发的时间为0.21 s·mm^-2， 微爆强度为0.97， 波动蒸发时间为0.057 4 s·mm^-2。液滴发生微爆时刻随温度的提高而提前， 整体蒸发寿命缩短， 微爆强度逐渐加强。这是由于在蒸发过程中， 液滴表层的低沸点水逐渐蒸发， 剩余高沸点航空煤油未蒸发形成液膜， 液膜存在时内部水气泡生长， 当内部气泡压力大于液膜表面张力时， 液滴发生微爆。随着温度的升高， 液滴表面传热速率加快， 内部水相吸热快速成核并发生迅速膨胀， 时间缩短， 使微爆发生时刻提前。同时， 液滴内部水核生成点位增多， 液滴内部水气泡直径增大， 微爆强度增大， 液滴扩散更加彻底。微爆后的液滴内部的剩余水相无法形成引发微爆的水核， 导致波动蒸发持续时间缩短。稳定蒸发阶段满足D²定律， 温度升高， 蒸发速度加快， 造成蒸发持续时间缩短， 最终表现为蒸发寿命缩短。

2.4 液滴初始体积对液滴蒸发规律的影响

图 10 为473 K下不同大小液滴归一化平方直径随时间变化的曲线。随着液滴体积的逐渐增大， 液滴平稳蒸发时间增加， 微爆发生时刻逐渐延后， 如图11所示。从传热传质的角度深入剖析来看， 随着液滴体积的增大， 其比表面积相应变小， 吸热速率降低。在液滴内部， 水相由于热量传递的延迟， 形成水核以及生成气泡的时间显著增加。当气泡内部的压力逐渐积累， 大于液滴外表面油膜的表面张力时会引发微爆现象， 因此， 宏观上表现为微爆时刻的延后。

随着液滴体积的增大， 微爆次数逐渐减少， 波动蒸发时间总体呈现下降趋势。这主要归因于液滴体积增大， 微爆形式发生显著变化， 逐渐从边缘微爆占主体转变为中心微爆占主体。根据Laplace定律^［16］可知

∆P=\frac{\mathrm{2}\gamma }{R}\mathrm{。}（2）

球形液滴表面张力与液滴体积成正比， 与环境温度成反比。液滴体积越大， 表面张力越大。当液滴体积较小时， 液膜表面张力较小， 微爆形式以边缘微爆为主； 随着液滴体积的增大， 表面张力加大， 液滴内部气泡更易聚集， 形成中心微爆。如图 11 所示， 边缘微爆主要发生在液滴表面， 液滴体积损失相对较小； 中心微爆发生在液滴核心区域， 会引发更剧烈的液滴破碎和体积损失。

当微爆形式以边缘微爆为主体时， 液滴微爆后体积损失量小， 液滴内部和边缘仍有足够的水相吸热成核， 造成后续多次微爆； 当微爆形式以中心微爆为主时， 液滴微爆后体积损失量大， 液滴内部的剩余水相难以再形成能够引发微爆的水核结构， 使得波动蒸发过程中缺乏足够的能量驱动， 从而导致波动蒸发持续时间缩短。

3 结　论

本文在473~673 K下对质量分数为1%的掺水乳化航空煤油单液滴蒸发特性进行了试验研究， 发现水相的加入对液滴蒸发特性影响显著。主要结论如下：

1） 掺水乳化航空煤油液滴在蒸发过程出现了微爆现象， 纯航空煤油液滴的蒸发时间为12.54 s·mm^-2， 掺水乳化航空煤油液滴为7.19 s·mm^-2， 液滴寿命缩短了42.7%。液滴寿命与环境温度成反比。

2） 随着环境温度的升高， 液滴微爆时刻提前。在673 K下液滴微爆时刻最早为0.21 s·mm^-2。温度升高， 液滴内部的水核生成点位增多， 液滴内部水气泡直径增大， 微爆强度增大， 最大为0.97。

3） 随着液滴体积的增大， 微爆发生时刻延迟， 波动蒸发时间缩短。初始体积为2.0 μL的液滴微爆时刻最迟为0.85 s·mm^-2， 波动蒸发时间最短为0.19 s·mm^-2。微爆形式由边缘微爆向中心微爆转变。

4） 掺水乳化航空煤油蒸发过程受环境温度与液滴初始体积影响的同时， 其掺水比也是蒸发改性的重要因素， 后续将探讨最佳掺水比， 为燃油的高值化利用提供参考。

参考文献

[1] 屈元元.低温下航空燃油中水的存在形式和特性研究［J］. 科技视界， 2018， 8（5）： 45-46.

[2] QU Yuanyuan. Study on the existence form and characteristics of water in aviation fuel at low temperature［J］. Science & Technology Vision， 2018， 8（5）： 45-46.（in Chinese）

[3] 迟浩.掺水乳化柴油单液滴蒸发特性可视化实验研究［D］.武汉： 华中科技大学， 2018.

[4] QIN M， PAN J， LU Y， et al. Comparative study on the adaptability of diesel/aviation kerosene in rotary engines［J］. International Journal of Engine Research， 2025， 26（8）： 1287-1302.

[5] FU W， LI Y， LI H， et al. The effect of adding n-butanol on the spray characteristics of aviation kerosene［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 2022， 236（12）： 6939-6947.

[6] YANG X， FAN W， ZHANG R， et al. Experimental investigations on aviation kerosene multi-jets in high temperature and low pressure air crossflow［J］. Fuel， 2022， 324： 124828.

[7] MURA E， CALABRIA R， CALIFANO V， et al. Emulsion droplet micro-explosion： Analysis of two experimental approaches［J］. Experimental Thermal and Fluid Science， 2014， 56： 69-74.

[8] 黄杰.低压环境下RP-3航空煤油液滴的微爆及燃烧特性研究［D］.杭州： 浙江大学， 2023.

[9] 王淑春.液滴碰壁和对流条件下蒸发特性研究［D］.大连： 大连理工大学， 2012.

[10] 胡佳康， 许俊峰， 杨伟， 等.甲醇柴油微乳化液滴蒸发微爆特性研究［J］.车用发动机， 2023（6）： 33-38.

[11] HU Jiakang， XU Junfeng， YANG Wei， et al. Evaporation and micro-explosion characteristics of methanol-diesel microemulsified droplet［J］. Vehicle Engine， 2023（6）： 33-38.（in Chinese）

[12] YIN J， LIANG Y， ZHANG L F， et al.Experimental investigation on evaporation and micro-explosion characteristics of ethanol/RP-3 aviation kerosene blend droplets at elevated pressures and temperatures［J］. Aerospace Science and Technology， 2024， 153： 109433.

[13] 王兆文， 曹俊辉， 袁波， 等.环境温度对掺水乳化柴油蒸发的影响研究［J］.工程热物理学报， 2022， 43（8）： 2256-2266.

[14] WANG Zhaowen， CAO Junhui， YUAN Bo， et al.Effect of ambient temperature on the evaporation characteristics of water-in-oil emulsified diesel droplets［J］.Journal of Engineering Thermophysics， 2022， 43（8）： 2256-2266.（in Chinese）

[15] MELO-ESPINOSA E A， BELLETTRE J， TARLET D， et al. Experimental investigation of emulsified fuels produced with a micro-channel emulsifier： Puffing and micro-explosion analyses［J］. Fuel， 2018， 219： 320-330.

[16] KHAN M Y， KARIM Z A A， AZIZ A R A， et al.Puffing and microexplosion behavior of water in pure diesel emulsion droplets during leidenfrost effect［J］. Combustion Science and Technology， 2017， 189（7）： 1186-1197.

[17] 周心远， 郝俸， 曹青， 等.激光下纳米铝癸烷液滴蒸发特性的实验研究［J］.航空动力学报， 2025， 40（11）： 20240733.

[18] ZHOU Xinyuan， HAO Feng， CAO Qing， et al.Experimental study on evaporation characteristics of n-Al/decane droplet heated by laser［J］.Journal of Aerospace Power， 2025， 40（11）： 20240733.（in Chinese）

[19] WANG J， HUANG X， QIAO X， et al. Experimental study on effect of support fiber on fuel droplet vaporization at high temperatures［J］. Fuel， 2020， 268： 117407.

[20] LANGROUDI S M M， GHASSEMI M， SHAHABI A， et al. A molecular dynamics study of effective parameters on nano-droplet surface tension［J］. Journal of Molecular Liquids， 2011， 161（2）： 85-90.

基金资助

山西省基础研究计划资助项目(202103021224216)