高溫高壓環境下RP-3航空煤油單液滴的加熱與蒸發特性研究

摘 要：RP-3航空煤油是當前國內最常用的商用噴氣燃料，煤油液滴在航空發動機燃燒室中的蒸發直接影響燃料的霧化效果、空燃混合氣的形成和燃燒質量。本文以單個RP-3航空煤油液滴為研究對象，選取正十二烷、2，5-二甲基己烷、甲苯作為替代燃料，提出了一個考慮自然對流效應的高溫高壓環境下多組分液滴蒸發模型。利用自主搭建的試驗裝置得到了環境壓力為1MPa、環境溫度為473～673K下RP-3煤油單液滴在蒸發過程中的液滴直徑變化。模型預測結果與試驗結果的對比驗證了模型的準確性。通過模型預測了不同環境參數下三組分替代物液滴直徑、內部溫度分布、各組分質量分數分布和液滴壽命等參數的瞬態變化，定量分析了不同高溫條件下環境壓力對單液滴蒸發特性的影響。結果表明，液相內部的傳熱傳質會影響多組分液滴的蒸發速率，且液相擴散阻力造成了液相內部組分質量分數與溫度空間分布的不均勻性。環境壓力對RP-3煤油液滴蒸發壽命的影響隨環境溫度的變化而變化。當環境溫度低于正十二烷的臨界溫度（658.25K）時，液滴壽命與環境壓力的關系不是單調的，液滴壽命隨環境壓力的增加先增后減；而當環境溫度超過658.25K時，液滴壽命隨環境壓力的升高而單調減小。這是因為在高溫高壓環境中，環境壓力的升高能顯著增大自然對流傳熱傳質強度，而自然對流超過一定強度時，能明顯促進液滴蒸發。上述研究有利于認識液滴內部組分擴散過程，從源頭上為未來高性能低污染發動機的優化設計提供依據與參考。

關鍵詞：單液滴蒸發； 航空發動機； 自然對流； RP-3航空煤油； 三組分替代

中圖分類號：V312+.1 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.03.007

基金項目： 國家自然科學基金（52176163）； 航空科學基金（2019ZB070002）

航空發動機是飛行器的核心，對其性能起著決定性的作用。在發動機燃燒室內，航空煤油液滴蒸發是液態燃料燃燒的基本過程，直接影響燃油噴霧的霧化效果、空燃混合氣的形成以及燃燒質量[1]，尤其是在噴霧的稀薄區域[2]。考慮到研究噴霧液滴群在真實燃燒系統中蒸發試驗的困難性，深入研究單個航空煤油的加熱和蒸發特性具有重要意義。這不僅有助于加深對液體噴霧燃燒現象的理解，還能改善燃油噴霧的燃燒性能，確保燃料在極端惡劣環境中成功點火并完全燃燒，維持發動機的優良性能。此外，在雙碳戰略目標下，航空煤油單液滴蒸發特性研究也為降低碳煙和污染物的排放，提高燃油經濟性，實現可持續和綠色航空提供了理論支持[3-4]。因此，開展單個航空煤油的加熱和蒸發特性研究對提升燃油噴霧和燃燒過程的效率和可靠性具有直接的指導意義和實際應用價值。

單液滴蒸發的研究由來已久，并取得了許多有意義的進展。在試驗研究方面，許多研究人員利用液滴懸掛法研究了各種燃料的單液滴蒸發特性，包括烷烴[5-7]、煤油[8-9]、化石柴油[10]、生物柴油[11-18]、乳化燃料[19-21]和納米流體燃料[22-26]。然而，上述研究均未涉及燃料在高壓和高溫下的詳細蒸發行為。為進一步探索實際燃燒系統中的噴霧燃燒，日本大學[27-28]和韓國科學技術研究院[29-32]搭建了高溫高壓密閉環境單液滴蒸發試驗裝置。然而，高溫高壓單液滴蒸發研究中使用的懸絲均為石英纖維，無法測量液滴內部溫度，因此高溫高壓環境下液滴蒸發熱特性尚不清楚。

除了上述的試驗觀察，針對液滴蒸發的理論研究也層出不窮。相比于試驗，理論研究方法能夠更好地描述蒸發過程中液滴內部溫度、組分濃度等參數的變化情況，從而全面、細致地揭示液滴蒸發的關鍵特性。液滴蒸發數值研究的主要目的是確定液滴的蒸發速率。氣相模型被用來量化氣相和液滴表面之間的傳熱傳質。已有研究表明，蒸發率在很大程度上由氣相模型決定。Ranz等[33]最先提出了球形液滴對流傳熱和傳質的經典關系式，但是此模型沒有考慮由液滴表面蒸發物質遷移引起的吹風效應對傳熱傳質的影響。之后，許多研究者考慮吹風效應對模型進行了改進，如R-M模型、A-S模型、N-G模型、H-N-R模型等[34-37]。周致富等[38]對各個氣相模型進行了對比研究，研究結果表明，各個模型的預測結果存在差異，且這種差異隨著蒸發率的增大而越發突出。在此基礎上，綜合考慮吹風和對流效應，N-G-R-M氣相模型被提出。該氣相模型能夠準確預測液滴在不同蒸發率下的蒸發率。然而，在上述氣相模型中沒有考慮高壓靜止環境下自然對流的影響。研究證明，高壓環境中的小尺寸液滴，自然對流效應對正常重力下蒸發液滴和周圍氣相之間的傳熱和傳質有重要影響[27]。

液滴蒸發過程中，液相和氣相的過程密切相關。液相模型用于研究液滴內部傳熱傳質與流動。按照模型復雜度可以分為5類[34， 39]：無限導熱（ITC）模型、有限導熱（CL）模型、有效導熱（ETC）模型、渦動力（vortex）模型和直接數值模擬（DNS）。ITC模型不考慮液滴內部溫度梯度，溫度僅隨時間改變。其余液相模型通過求解液滴的熱傳導或內循環方程，可以獲得液相流動特性或溫度分布的細節，但在實際應用中所需計算量過大且低效。因此，綜合以上幾種液相模型的優缺點，一些研究者建立了準集總參數模型，包括拋物線溫度模型（二階模型）[40]和三階多項式溫度分布（三階）液相模型[41]。

雖然單組分液滴蒸發理論研究已經發展得比較完善，但是由于涉及多組分汽化、液相內部傳質及氣液相耦合，多組分模型發展得還不太成熟。對于液滴內部組分擴散，密歇根大學Talley[42]參考ETC模型，提出了描述液相內部傳質的有效擴散（ED）模型。Sazhin團隊利用ETC/ED模型對丙酮/乙醇溶液[43]、正癸烷/3-戊酮溶液[44]、異辛烷/3-甲基戊烷溶液[45]以及幾種生物柴油[46]開展了多組分液滴的蒸發特性研究，結果表明預測值與試驗值的吻合度較高。由于缺乏高壓條件下的相關試驗驗證數據，對高壓環境中多組分液滴蒸發的理論研究涉及不多。

本文對于高溫高壓條件下RP-3航空煤油液滴的蒸發過程，選取54.3%（初始摩爾分數，下同）的正十二烷、32.1%的2，5-二甲基己烷、13.6%的甲苯三組分混合物作為RP-3煤油的替代模擬燃料。建立了考慮自然對流效應和吹風效應的氣相模型、考慮液相內部熱質擴散和流動的液相模型、基于UNIFAC方法的氣液相耦合模型，進而形成了高溫高壓復雜環境下多組分燃油液滴蒸發模型，并對其進行了驗證。利用該模型預測了自然對流環境下三組分替代物液滴的加熱和蒸發特性，包括液滴直徑、內部溫度分布、各組分質量分數分布和液滴壽命等參數隨時間的變化，并定量分析了不同高溫條件下環境壓力對單液滴蒸發特性的影響。這一研究有利于認識液滴內部組分擴散過程，對優化燃燒效果具有重要指導意義。

1 自然對流下多組分液滴蒸發模型

1.1 假設

自然對流環境下多組分單液滴蒸發模型的示意圖如圖1所示。圖1中，環境壓力為pg、環境溫度為Tg的熱環境介質中的單個三組分液滴的初始溫度為T0，液相表面各組分的初始蒸氣質量分數分別為Yv，s1、Yv，s2、Yv，s3，遠離液滴表面無窮遠處各組分的蒸氣質量分數為Yv，∞1、Yv，∞2、Yv，∞3。rs為液滴瞬時半徑，r為距離液滴球心的距離。由于氣液相之間的溫度差和蒸氣質量分數梯度，液滴與周圍環境之間存在能質輸運過程，氣液相之間總傳質速度為m？。液滴在熱環境介質中被加熱，熱環境與液相間的對流換熱為q？c，由于相變而帶走的熱量為q？m。額外的對流換熱熱量q？l會傳遞給液滴內部，用于提升液滴整體溫度。由于多組分液滴蒸發過程錯綜復雜，因此需要對液滴蒸發的數值研究進行假設：（1）環境氣體和液滴處于恒定均勻的壓力場中；（2）蒸發過程中液滴始終保持球對稱形狀；（3）液滴的液/氣界面處于熱力學平衡狀態；（4）不考慮環境氣體向液滴中的擴散；（5）液滴內部溫度和組分分布只沿半徑方向變化；（6）液滴為無色透明球體，忽略輻射換熱。

1.2 氣相模型

2 多組分液滴蒸發模型的驗證

2.1 試驗系統

為驗證本文模型的準確性，采用液滴懸掛法進行相關試驗，將試驗數據與預測結果進行對比。試驗系統如圖2所示，該裝置主要由4個子系統組成，即壓力控制系統、加熱系統、液滴生成和傳輸系統以及數據采集系統[53]。壓力容器的內部空間可以劃分為常溫區和高溫區。壓力控制系統用于產生和維持從大氣壓力變化到2MPa的高壓環境。加熱爐內可達到的最高溫度為900K，溫度控制精度為±1K。在試驗前，用加壓干燥氮氣吹掃試驗腔體內部以更新環境氣體。當高溫區的壓力和溫度達到并保持在預定值后，借助液滴產生和傳輸系統將液滴懸掛在直徑為50μm的懸絲上，進而轉移到加熱爐內。當液滴到達試驗指定位置，高速攝像機被觸發采集并記錄試驗圖像。為保證試驗結果的準確性，每種測試條件下的試驗應至少重復5次。選擇初始尺寸在0.9～1.1mm范圍內的液滴，以盡量減少液滴初始直徑對液滴蒸發的影響。液滴初始直徑約為懸絲直徑的20倍，故懸絲對液滴蒸發的影響可以忽略不計[54-55]。基于切片積分法和等效體積法，使用開發的圖像處理代碼從捕獲的圖像中提取液滴直徑的時間變化，為后續的試驗研究奠定了基礎。

2.2 航空煤油替代物的選取

目前，我國航空器最重要的動力來源為我國自行研發生產的RP-3航空煤油[56-58]。RP-3煤油為無色透明液體，密度適宜，蒸發和燃燒性能好，熱值高，結晶點低，低溫流動性好，潔凈度高，對發動機零部件無腐蝕性，因此用途最為廣泛[59]。其臨界壓力介于2.2～2.4MPa之間，臨界溫度在640K左右[60]。RP-3煤油屬于多分子的碳氫混合燃油，其成分構成可達100多種，碳數分布集中在C7～C16，大致包括53.0%的烷烴、37.7%的環烷烴、4.6%的芳烴、2.7%的醇類和2%的烯烴（體積分數）[61-62]，且其具體成分會隨年份、產地、廠家、批次等因素而有所變化。RP-3煤油的物理性質見表1。

在理論研究方面，RP-3煤油組分極為復雜，直接造成了構建RP-3煤油蒸發模型比較困難。當前行之有效、循序漸進的方法是選取一種或幾種具有代表性的、與RP-3煤油有相近理化性質的替代燃料來模擬真實情況。對于航空煤油替代燃料模型，國內外學者已開展一定嘗試[63]。單一組分的正癸烷或正十二烷是最為簡單常用的替代物，但難以使用單一物質來模擬真實情況。其后，鑒于航空煤油成分的復雜性，學者們發現構建雙組分、三組分及以上的替代燃料模型可以更好地滿足數值模擬的要求[64]。根據RP-3煤油的成分和物化特性，選取初始摩爾分數54.3%的正十二烷、32.1%的2，5-二甲基己烷、13.6%的甲苯三組分混合物作為替代物[65]，替代物的熱物性見表2。

2.3 模型的有效性驗證

試驗條件見表3，圖3為環境壓力1MPa條件下高速攝像機記錄的不同環境溫度下RP-3煤油單液滴蒸發圖像隨時間動態變化情況。圖3中不同試驗工況條件下首張圖像是在液滴首次到達觀察焦點時記錄的圖像，最后一張是液滴完全蒸發時的圖像。圖像下方數字為歸一化時間t/d02。

為了驗證所提出的模型的準確性，圖4給出了試驗和模型預測所得RP-3煤油液滴的歸一化直徑平方（d 2/d02）的比較。為了減小液滴初始直徑對蒸發特性的影響，使用液滴初始直徑對液滴直徑和時間進行了歸一化處理。

如圖4所示，從整體上看，模型預測的歸一化直徑平方和試驗數據之間取得了良好的一致性。根據液滴直徑變化，RP-3煤油單液滴蒸發可以劃分為兩個過程，即瞬態加熱階段和平衡蒸發階段。在瞬態加熱階段，d 2/d02緩慢升高至最大值后再降到初始值1。在平衡蒸發階段，d 2/d02曲線急劇下降，幾乎隨歸一化時間成比例減小。結合圖3所示的液滴圖像分析可知，當液滴處于瞬態加熱階段，液滴的形態和體積幾乎保持不變，仔細觀察時有小幅度的膨脹；在平衡蒸發階段，液滴體積隨著時間的推移平緩減小，直至蒸發完畢。綜上，提出的考慮自然對流和高壓效應的液滴蒸發模型能夠準確預測高壓環境下RP-3煤油液滴蒸發特性。

3 液滴蒸發結果與討論

3.1 液滴內部導熱和組分擴散分析

利用驗證后的液滴蒸發模型研究三組分混合物液滴的蒸發特性。針對多組分液滴蒸發情況，其模擬比單組分液滴更為復雜。因此，首先選擇1MPa、473K環境條件，研究典型工況下蒸發過程中液滴的內部導熱和組分擴散。圖5描繪了提出的蒸發模型預測的液滴內部溫度的發展變化。液滴中心溫度Tmid、平均溫度Ta、表面溫度Ts的變化趨勢一致，蒸發初期液滴內部溫度的不均勻性極為顯著，模型預測的液相內部溫度隨距液滴中心的徑向距離呈單調變化關系，最高溫度位于液滴表面；蒸發后期液滴溫度曲線基本重合。這是由于內部阻尼的存在阻礙了液相傳熱，液滴吸收來自高溫環境的熱量不能瞬間傳遞到液滴內部，液滴表面溫度Ts迅速上升。隨時間推移，液滴溫度達到了動態平衡，此后液相內部溫度空間分布漸漸趨于一致。平衡點對應的是周圍環境傳遞給液滴的熱量等于液滴蒸發散失的熱量的時刻。

圖6給出了蒸發模型預測的液滴內部各組分質量分數隨時間的變化規律。模型中，組分1為正十二烷，組分2為2，5-二甲基己烷，組分3為甲苯。由圖6可知，液相中各組分的中心質量分數Yl，midi、平均質量分數Yl，ai和表面質量分數Yl，si的變化趨勢一致，Yl，a2和Yl，a3不斷減小，Yl，a1則是逐漸增大。隨著時間的推移，液滴內部各組分質量分數梯度逐漸減少。這是因為三組分混合物中低沸點組分即2，5-二甲基己烷和甲苯優先蒸發。各組分蒸發速率的差異引起液相內部傳質過程，故各組分液相質量分數的空間分布發生變化。由于液滴內部擴散阻尼的存在，低沸點組分不能迅速擴散到液滴表面，其內部質量分數從中心到表面呈現單調遞減分布。

為了驗證上述觀點，圖7給出了蒸發模型預測的各組分瞬時蒸發率隨時間的變化規律。液滴內不同組分以不同的速率蒸發，其中一種組分的蒸發率受其他組分蒸發率的影響。三種組分的蒸發率均是先單調增大，依次達到最大值后再單調減小。組分2和組分3的蒸發速率的峰值出現比較早，這是因為模型預測的液滴表面溫度Ts不斷上升，各組分的飽和蒸氣壓和氣相擴散系數增大，其瞬時蒸發速率不斷上升。由于組分2和組分3的沸點遠低于組分1，在蒸發初期以易揮發組分的蒸發為主。由于Yl，s2和Yl，s3不斷下降，液滴表面該組分的蒸氣質量分數Yv，s2、Yv，s3隨之減小，故組分2和組分3的蒸發速率達到最大值后開始呈遞減趨勢。由于Yl，s2和Yl，s3趨近于0，蒸發后期主要以高沸點組分的蒸發為主，總蒸發速率等同于組分1的蒸發速率。自然對流會增強液滴蒸發，而隨著時間的推進，液滴直徑的減小會削弱這種作用。而且熱質擴散的邊界層因Stefan流漸漸增厚，修正后的Nu和Sh變小意味著邊界層對環境與液滴表面間傳熱傳質的抑制作用增強，直接阻礙了液滴的蒸發。故組分1的蒸發速率開始逐漸下降。

3.2 環境壓力對液滴蒸發的影響

由于三組分混合物中組分1（正十二烷）的臨界壓力為1.82MPa，本文選擇了0.1MPa、0.5MPa、1.0MPa和1.5MPa共4種環境壓力來評估環境壓力pg對液滴蒸發特性的影響。圖8給出了環境溫度為473K、573K和673K時，不同環境壓力下RP-3煤油替代物液滴直徑隨時間變化的比較。其中，液滴初始直徑和溫度分別為100μm和300K。對于所研究的所有環境溫度下，相比常壓條件，高環境壓力會削弱液滴蒸發，但不同環境溫度下，環境壓力的升高對液滴蒸發的影響不同。在低環境溫度（473K）下，液滴蒸發速率隨環境壓力的升高先減后增。而在673K條件下，液滴蒸發速率隨環境壓力的升高而單調遞減。這是因為環境壓力對液滴蒸發傳質特性的影響主要表現為：一方面，提高環境壓力，液滴表面參考氣體密度和自然對流強度增加，從而加強了熱環境與液相之間換熱的驅動力，液滴表面溫度大幅提高，加快氣液相之間的傳質；另一方面，環境壓力的升高增高了RP-3煤油各組分的沸點，氣液平衡時液滴表面各組分蒸氣的質量分數Yv，si和氣相擴散系數Dvi均減小，阻礙了液相汽化。環境壓力對液滴蒸發特性的影響由上述競爭效應的凈結果決定。

圖9為環境溫度為473K、573K和673K條件下，不同環境壓力下RP-3煤油替代物單液滴平均溫度Ta的對比分析圖。相比常壓條件，環境壓力升高會引起液滴溫升速率的增加，這是由于提高pg可以增強環境介質向液相的熱量傳遞。所有液滴平均溫度曲線都顯示出相同的變化趨勢，Ta不斷升高，且其斜率隨著時間的推移放緩，直到上升到最高溫度后不再變化。這是因為液滴溫度不僅與氣相和液滴之間的對流熱有關，還與蒸發速率有關。最初，來自氣相的對流換熱足以提供蒸發所需的汽化潛熱，剩余的對流換熱用于提高液滴內部溫度。液滴溫度曲線的斜率變化取決于滲入液滴內部熱量的變化。在所研究的環境溫度條件下，Ta曲線存在一個平衡蒸發溫度Tequ。一旦達到該溫度，則所有傳遞到液滴中的熱量將用于使液體汽化。

為了更直觀、更具體地了解環境壓力對液滴蒸發的影響，接下來給出了不同環境壓力下影響蒸發的參數隨時間的演變。高溫、不同高壓環境下RP-3煤油替代物蒸氣的二元擴散系數Dv隨時間的變化情況如圖10所示。從總體上看，Dv與環境壓力成反比，并且隨著環境壓力的增加，Dv的這種差異逐漸減弱。不同工況下Dv的變化趨勢一致，均是先增后減，直到達到最低值后不再變化。這是因為Dv由混合物中各組分的氣相擴散系數和Yv，si決定。由于蒸發初期，隨著Ts的上升，參考氣體溫度Tr持續升高，各組分的氣相擴散系數不斷升高。而甲苯和2，5二甲基己烷的氣相擴散系數大于正十二烷，Dv因Yv，s2和Yv，s3的降低而不斷下降。當Dv到達最低值時，低沸點組分蒸發殆盡，此后為單一組分的蒸發過程，Dv等于正十二烷蒸氣的二元擴散系數，僅與Tr成正比。

圖11繪制了蒸發過程中液滴表面附近不同組分蒸氣質量分數Yv，si的時間變化。從總體上看，Yv，si與環境壓力成反比。Yv，si對應蒸發過程組分i的傳質驅動力。Yv，si由飽和蒸氣壓和液相中各組分的表面質量分數Yl，si決定。由于蒸發初期液滴表面溫度不斷上升，三組分的Yv，si均呈上升趨勢。而由于低沸點組分的優先蒸發，Yl，s2和Yl，s3不斷下降，故Yv，s2和Yv，s3開始下降。而Yv，s1的變化趨勢與液滴溫度的趨勢完全一致。

圖12給出了高溫、不同高壓環境下RP-3煤油替代物Gr的演變。從整體上看，初始的自然對流強度Gr與環境壓力成正比。Gr變化曲線呈現出一定的雙峰特征。這是因為Gr的變化趨勢主要由液滴表面附近參考氣體密度、Ts和液滴直徑決定。Gr與Ts成反比，與混合氣體密度和液滴直徑成正比。在環境溫度保持不變時，隨著環境壓力的增大，參考氣體密度顯著增大，故自然對流強度顯著增大。蒸發初期，Ts的上升對Gr的影響大于液滴直徑增加對Gr的影響，導致Gr有所下降。對于多組分混合物，由于Yv，si的不斷變化，Gr因參考氣體密度的增加開始上升并隨之達到第一個峰值。參考氣體密度因Yl，s1的增加有一定上升，Gr從而達到第二個峰值。蒸發后期，對于正十二烷單組分液滴的蒸發，液滴直徑的減小導致Gr顯著減弱。

為了全面探究不同高溫條件下環境壓力對單液滴蒸發特性的影響，本文對所有工況條件下RP-3煤油替代物單液滴所需蒸發時間即液滴壽命進行分析。在本文中以液滴直徑等于0.1μm為界限，認為此時液滴已經蒸發完全。不同工況條件下初始直徑為50μm的RP-3煤油替代物液滴的液滴壽命如圖13所示。由圖13可知，三組分替代物液滴壽命受到環境溫度和壓力的綜合影響。這些環境因素對液滴蒸發的影響不是獨立的。無論是常壓還是高壓環境，環境溫度的升高均能顯著加速RP-3煤油替代物液滴的蒸發。

環境壓力對RP-3煤油液滴蒸發壽命的影響強烈依賴環境溫度。一般來說，當環境溫度低于或接近多組分液滴內部組分的臨界溫度時，隨著環境壓力的升高，液滴蒸發速率降低，液滴壽命增加；而當環境溫度完全高于各組分的臨界溫度時，環境壓力的增加會縮短液滴壽命[29， 68]。不同于上述規律，對于本文所研究的自然對流環境，當環境溫度低于正十二烷的臨界溫度（658.25K）時，在同一環境溫度下，液滴壽命與環境壓力的關系不是單調的，即液滴壽命隨環境壓力的增加先增后減。當環境溫度超過658.25K時，液滴壽命隨環境壓力的升高而單調減少。這是因為環境壓力對自然對流環境下液滴蒸發傳質特性的影響主要由自然對流強度（Gr）、參考氣體密度、蒸氣的質量分數（Yv，s）和氣相擴散系數（Dv）決定。分析上述參數的變化可知，在高溫高壓環境中，環境壓力的升高能顯著增加自然對流傳熱傳質強度。當自然對流超過一定強度時，能明顯促進液滴的傳質，所以提高環境壓力對液滴蒸發由減緩轉為促進。

4 結論

本文選取正十二烷、2，5-二甲基己烷、甲苯作為RP-3航空煤油的三組分替代物，建立了高溫高壓環境下多組分燃油液滴蒸發模型，并驗證了其有效性。通過所構建的模型預測了自然對流環境下三組分替代物單液滴的蒸發過程及環境壓力和溫度對其加熱和蒸發特性的影響。可以得到以下結論：

（1）整個RP-3煤油蒸發歷程呈雙階段特征。在整個蒸發歷程中，液滴始終處于升溫階段，且溫升速率隨時間的推移逐漸變緩。通過與RP-3液滴蒸發試驗數據對比驗證了所提出模型的有效性。

（2）內部擴散阻力不利于液相內部熱質擴散，造成了蒸發初期液滴內部組分質量分數與溫度空間分布的不均勻性。隨著時間的推移，液滴內部溫度梯度和各組分質量分數梯度逐漸減少。

（3）不同高溫下，環境壓力對液滴蒸發能質輸運特性的影響較為復雜。提高環境壓力對液滴蒸發過程的影響主要表現為參考氣體密度和自然對流強度的上升對液滴蒸發的促進作用以及氣相擴散系數和液滴表面蒸氣的組分濃度的降低對液滴蒸發的抑制作用。當環境溫度低于658.25K時，液滴壽命隨環境壓力的增加先增后減；而當環境溫度超過658.25K時，液滴壽命隨環境壓力的升高而單調減少。這是在正常重力環境下，當自然對流超過一定強度時，能明顯促進液滴蒸發。

綜上所述，以上研究有助于深入理解多組分燃油在高溫高壓環境下的蒸發行為，為我國航空發動機燃燒裝置的優化設計提供了理論依據。目前使用的多組分液滴蒸發理論模型只考慮了高壓條件下氣液相平衡，忽略了環境氣體的溶解性。因此，在未來我們仍需開展大量的工作進行更為深入的研究。

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Investigation on Heating and Vaporization Characteristics of Single RP-3 Aviation Kerosene Droplet at Elevated Temperature and Pressure

Yin Jing1， Liang Yong2， Zhang Longfei2， Xue Shuqin1， Liu Bing2， Zhou Zhifu1

1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China

2. Xi’an Research Institute of Aerospace Power Measurement and Control Technology， Xi’an 710025， China

Abstract： RP-3 aviation kerosene is a commercial jet fuel commonly employed in China. The evaporation of aviation kerosene droplets in the aeroengine combustion chamber directly affects the fuel atomization performance， the formation of air-fuel mixture， and combustion quality. To accurately predict the heating and vaporization characteristics of single RP-3 kerosene droplet， the blend of n-dodecane， 2， 5-dimethylhexane and toluene was selected as the surrogate fuel. And a multi-component droplet evaporation model considering the natural convection effect at elevated temperature and pressure was proposed in the present study. Based on the self-developed experimental apparatus， the temporal variations of the RP-3 kerosene droplet diameter were obtained for an ambient pressure of 1MPa at ambient temperatures of 473K to 673K. The accuracy of the model was validated by the comparison between the simulation results and experimental results. The predictions of the parameters including diameter， internal temperature distribution， component mass fraction distribution and lifetime of three-component surrogate fuel by the new-proposed model were used to quantitatively analyze the effect of ambient pressure on the evaporation characteristics of individual droplet under various ambient temperatures. The results indicated that the heat and mass transfer inside the liquid phase can affect the evaporation rate of multi-component droplets， and the liquid diffusion resistance leads to the heterogeneity of the distribution of internal temperature and component mass fraction inside the liquid phase. The impact of environmental pressure on the RP-3 kerosene droplet lifetime strongly depends on environmental temperature. When the ambient temperature is below the critical temperature of ndodecane （658.25K）， the relationship between droplet lifetime and ambient pressure is not monotonic， but first increases and then decreases with the increase of ambient pressure. When the ambient temperature exceeds 658.25K， the droplet lifetime monotonically decreases as ambient pressure increases. This can be attributed to the fact that in high temperature and pressure environment， the increase of ambient pressure can significantly increase the heat and mass transfer intensity of natural convection. When natural convection exceeds a certain intensity， it can obviously promote droplet evaporation. The study above is conducive to underseand the diffusion process of the internal for the optimized design of future high-performance low-pollution engines from the source.

Key Words： single droplet evaporation； aero-engine； natural convection； RP-3 aviation kerosene； three-component representative