RP-3与RP-5燃油低温物性演变规律及其对离心喷嘴内部流动与液膜破碎的控制机理分析

摘要：本文通过搭建喷嘴特性试验系统，以单油路离心喷嘴为研究对象，系统研究RP-3和RP-5燃油在20℃至−30℃温度范围内对质量流量特性、雾化锥角、索太尔平均直径（SMD）及液滴尺寸分布的影响。结果表明：随着燃油温度降低，两种燃油的密度、运动黏度和表面张力均显著增大，其中RP-5运动黏度增幅（330%）约为RP-3（219%）的1.5倍。质量流量方面，RP-5在0～−15℃范围内较RP-3高2%～4%，但在−30℃低供油压力（≤0.45 MPa）下因黏度效应主导而反低于RP-3，差值达−1.7%～−3.2%。雾化锥角随温度降低而减小，−30℃时RP-3减小约14%，RP-5减小约23%，RP-5对温度变化更为敏感。SMD随温度降低而增大，−30℃时RP-3和RP-5分别较常温增大48%和62%，RP-3的SMD整体偏小10%～20%。液滴分布指数n呈先降后升趋势，−30℃时RP-5的n值较RP-3高约17%，表明尽管平均粒径增大，但液滴尺寸分布更为集中。上述差异的内在机理在于RP-5低温下黏度的大幅升高改变了旋流室内部流动状态与液膜破碎行为。研究结果为燃烧室低温燃油点火性能评估及海洋环境下RP-5替代RP-3的燃油系统适配提供了试验依据。

第一章、喷嘴低温燃油特性研究分析

1.1 研究背景与工程需求

舰载航空发动机的服役环境具有显著的特殊性。海洋环境中，舰载飞机在飞行和空中加油过程中静电不易释放，静电积累量较大，引发静电点火爆炸的风险显著高于陆基飞机。RP-5号喷气燃料的闪点（闭口）不低于60℃，远高于RP-3的38℃，且密度更大（20℃时约为804 kg/m³ vs RP-3的765 kg/m³），这一物性组合使其成为舰载机的首选燃料。然而，RP-5的高闪点伴随着更高的运动黏度和更差的低温流动性，其冰点为−46℃，而RP-3的冰点不高于−47℃。这一物性差异在常温条件下影响甚微，但在高空低温再点火和极地冷起动等极端工况下被急剧放大。

高空低温低压环境下，燃油雾化和混合质量显著恶化，燃烧室再点火难度加剧。与地面条件相比，高空环境中空气稀薄、温度极低，燃油的黏度和表面张力大幅增加，导致液滴破碎困难、蒸发速率降低、油气混合不均匀，最终表现为点火边界显著收窄。在这一背景下，离心喷嘴作为航空发动机燃烧室中最广泛使用的燃油雾化装置，其在低温条件下的性能表现直接决定了燃烧室的点火可靠性和燃烧效率。

1.2 国内外研究进展

1.2.1 低温燃油雾化特性研究

低温对离心喷嘴雾化性能的影响是近年来航空发动机燃烧领域的研究热点。刘爱敏等以离心式压力雾化喷嘴为对象，在−20℃至50℃范围内系统测试了燃油温度对雾化角、SMD及周向分布不均匀性的影响，发现温度升高导致雾化角增大、SMD从45 μm降低至30 μm，同时油膜厚度随温度降低而增厚。该研究揭示了低温下液膜增厚与雾化恶化之间的关联，但未涉及燃油种类差异的影响。

在更极端的温度条件下，近期研究将试验范围拓展至−40℃。有学者以某离心喷嘴为对象，使用实时喷雾粒度仪对供油压差0.3～1.0 MPa和温度−40℃～10℃工况下的雾化特性进行了系统测试，结果表明低温状态下供油压差对SMD的影响更加显著；在−40℃条件下，提高供油压差不能显著改善液滴尺寸分布均匀性。这一发现具有重要的工程含义：在极端低温环境下，仅依靠增大供油压差难以有效补偿雾化质量的恶化，需要从燃油预热或喷嘴结构优化等维度寻求解决方案。

Shin等通过低温条件下燃油雾化特性研究发现，相较于常温工况，低温环境下燃油雾滴粒径显著增大且运动速度下降，但随着供油压差增大，粒径随之明显减小。付淑青等和宋阁等开展的−40℃至常温下的喷嘴雾化试验进一步证实了低温对雾化效果的显著影响，表现为雾锥体积缩小、油雾密度降低以及粒径变大。这些研究从不同角度确认了低温对雾化质量的负面影响，但试验对象主要集中在RP-3燃油，对RP-5燃油的低温雾化特性研究相对匮乏。

1.2.2 离心喷嘴内部流动与空气核特性

离心喷嘴的雾化质量从根本上取决于其内部流动状态，尤其是旋流室中空气核的尺寸和液膜的厚度。低温条件下燃油黏度的急剧增加显著改变了内部流动特征。近期一项基于大涡模拟与VOF方法的研究对240 K至300 K温度范围内压力旋流喷嘴的内部流动进行了数值分析，发现排出孔内的流动由强制涡主导，而非此前模型假设的自由涡；燃油温度降低增加了旋转动能耗散，从而减小了空气核直径。该研究进一步建立了基于旋转动能分析的半经验空气核直径模型，经验证与已有数据具有更好的一致性。

空气核直径的减小意味着液膜增厚，而液膜厚度被认为是主导雾化特性的关键因素。Rezaei等的试验研究表明，燃油温度降低导致排出系数增大、空气核直径减小。Aminjan等同样报道了在给定压降下，较低燃油温度对应更大质量流量和更小空气核直径。这些研究从喷嘴内部流动的物理机制层面解释了低温雾化恶化的根源，但均未涉及RP-5与RP-3燃油的对比，而两种燃油在低温黏度上的巨大差异（−40℃下RP-5黏度约为RP-3的3.3倍）决定了其内部流动特征可能存在本质区别。

1.2.3 低温点火性能与燃油种类影响

燃油种类对低温起动性能的影响已在发动机整机试验层面得到验证。祁斌等开展了采用RP-3和RP-5燃油的涡轴发动机高低温起动性能对比试验，结果表明：该型发动机采用RP-3燃油能在−40℃环境下成功起动，而采用RP-5燃油经调油等措施后仅能在−20℃环境下成功起动；在高温条件下两种燃油的起动性能基本一致。这一差异的核心原因在于低温下RP-5的黏度远高于RP-3，导致燃油雾化质量急剧恶化，可燃混合气形成困难，点火成功率大幅降低。

在燃烧室层面，低温对点火和熄火极限的影响同样显著。近期研究表明，当燃油温度从293 K降至256 K时，贫油熄火极限和贫油点火极限分别增大7.8%和6.9%；当燃油和空气温度同时从293 K降至253 K时，LLO极限的恶化程度（增大43.4%）远大于LBO极限（增大14.4%），其内在机理在于低燃油温度主要通过恶化雾化质量影响LBO，而低空气温度则通过降低燃油蒸发速率产生影响。三旋流燃烧室的试验进一步显示，负温条件下进气压力70 kPa时的点火边界较常温变窄了188%～375%。

1.2.4 先进测量技术在低温喷雾研究中的应用

近年来，数字全息技术为低温喷雾的三维定量表征提供了新的手段。有研究采用亿像素级数字离轴全息系统对旋流杯喷嘴在228 K、217 K和208 K低温条件下的RP-5煤油喷雾进行了三维液滴间距和团聚特性分析，发现液滴间距主要集中在400～500 μm范围内，从228 K降至208 K时液滴间距增大约50 μm；在旋流杯出口下方观察到中心倒Y形空隙区域，随温度降低该区域体积收缩、内部液滴间距增大且团聚强度加剧，为点火引入了不确定性。该研究的独特价值在于将雾化质量评价从传统的SMD和锥角等一维/二维参数拓展至三维空间分布，揭示了低温下液滴空间不均匀性的加剧机制，但试验对象仅限于RP-5，缺乏与RP-3的对比数据。

综上所述，现有研究在低温燃油雾化领域已取得重要进展，但存在以下不足：其一，专门针对RP-3和RP-5燃油在低温条件下雾化特性的系统对比研究较少；其二，对两种燃油在低温下质量流量特性差异的物理机制分析不够深入；其三，缺乏从雾化质量恶化到点火性能下降的定量关联。本文针对上述不足，通过搭建喷嘴特性试验系统，系统比对RP-3和RP-5燃油在20℃至−30℃温度范围内对单油路离心喷嘴性能的影响，为燃烧室低温燃油点火性能评估和海洋环境下RP-5替代RP-3提供数据支持。

第二章、喷嘴低温燃油特性试验系统与方法

2.1 试验件与工作原理

试验采用单油路离心喷嘴，其工作过程为：燃油经油滤后进入旋流室，燃油的压力势能转化为动能，在旋流室中做离心运动，以旋转液膜的形式流过喷口。喷出后，液体受到外力（气动力、惯性力）与内力（表面张力、黏性力）之间的相互作用，液膜失稳破碎形成液滴群。液膜厚度是决定雾化质量的关键参数，而液膜厚度又直接受旋流室中空气核直径的制约。低温条件下，燃油黏度升高导致旋流室中切向运动速度降低，离心力与黏性力的平衡关系发生改变，空气核直径减小，液膜增厚，最终表现为雾化质量的恶化。

2.2 试验介质与工况设置

试验采用符合GB6537-2006的RP-3燃油和符合GJB 560A-97的RP-5燃油。两种燃油的关键物性差异如表所示。

随着燃油温度由20℃降低至−30℃，两种燃油的物性变化呈现显著的非线性特征。RP-3和RP-5燃油密度和表面张力的增长幅度大致相当，分别增大约6%和18%；但运动黏度的增幅差异悬殊：RP-3增大219%，RP-5增大309%。在−40℃条件下，RP-5的黏度值达到RP-3的3.3倍，这一差异是两种燃油在低温下雾化行为分化的根本原因。

结合试验设备能力和喷嘴工作环境，确定试验工况如下：喷嘴进口供油压力为0.45 MPa，燃油温度分别为20、0、−15℃和−30℃；质量流量特性测试中补充了0.225 MPa和0.675 MPa两个压力点。喷嘴出口保持大气环境压力和温度。该工况矩阵覆盖了从常温到工程关注的低温极限的典型范围，能够系统反映温度变化对喷嘴性能的影响规律。

2.3 试验系统

试验系统主要由雾化舱、燃油系统、光学测量系统、数据采集系统和引风系统组成。燃油路全程管道包裹保温棉以降低温度损失。试验前，通过回油路循环换热将主油箱温度降至0℃，实现燃油路全程管道预冷，使管道与环境温度达到换热平衡，温度损失为确定值。

试验时，设置合适的燃油换热器降温功率，匹配调节供油泵转速、供油路和回油路气膜阀开度，获取试验所需的燃油质量流量和温度。燃油流经单向阀、油路、质量流量计、燃油换热器后进入试验件。喷嘴进油口前40～100 mm处分别布置有燃油温度测点和压力测点，用于监测试验状态参数。试验雾化舱下设有回油路收集燃油，根据试验工况调节引风机转速，在不干扰雾化场的前提下实现燃油抽吸和回收，经油气分离器和油滤后进入回油箱。

2.4 试验方法

2.4.1 质量流量特性

采用质量流量计测量喷嘴的质量流量，测量精度为0.1%。在一定供油压差下，测量不同燃油温度下60 s内流经喷嘴的燃油质量。质量流量是喷嘴最基础的性能参数，其温度敏感性直接影响燃烧室燃油控制系统的低温适配性。

2.4.2 雾化锥角

雾化锥角主要影响燃油浓度分布。锥角过大会导致燃油喷射到壁面，引起壁面烧蚀和燃烧不充分；锥角过小则可能造成燃油分布范围不足，影响与空气的充分混合。采用图像法获取雾化锥角：应用工业相机拍摄雾化场照片，基于LabVIEW编写图像和数据处理程序，在计算机屏幕上直接读出锥角数据。测量时选择距离喷口40 mm截面位置与喷雾包络线的交点和喷口中心连线之间的夹角。在0.45 MPa供油压力下，每个工况以喷嘴理想中心为轴线旋转90°，共进行3次拍摄，取3次测量的平均值。多次旋转拍摄取平均的方法有效减小了喷嘴加工不对称性和安装偏心带来的测量误差。

2.4.3 雾化粒度

采用TSI公司的相位多普勒粒子分析仪测量液滴尺寸。PDPA基于多普勒频移原理，能够同时测量液滴的粒径和速度，具有较高的空间分辨率和测量精度。以喷嘴喷口中心为圆心，以3 mm为步长，采集距离喷口30 mm截面位置的x和y正、负两个方向上半径为r的4条线段，将4处相等半径位置的数据取平均值以减小人为误差。工程中采用索太尔平均直径来表征雾化粒度，即存在一个直径为D₃₂的液滴群，其总表面积和体积与真实的液滴群相同，而液滴数目可以不同。

2.4.4 雾化均匀度

雾化均匀度通过液滴尺寸分布来表达。液滴尺寸分布同时描述了液滴直径大小和不同直径液滴的数量，通常采用数量积分分布、质量积分分布、数量的微分分布和质量的微分分布4种形式表达。本研究建立Rosin-Rammler分布函数，通过分布指数n定量评价液滴尺寸分布的集中程度。n值越大，表明液滴尺寸分布越集中，均匀性越好。

第三章、喷嘴低温燃油特性试验结果分析

3.1 质量流量特性

在喷嘴进口供油压力分别为0.225、0.45 MPa和0.675 MPa的条件下，测取了不同燃油温度工况下RP-3和RP-5燃油的质量流量。

常温燃油工况下RP-3与RP-5的质量流量相差不大，仅在1%～2%范围内。燃油温度从0℃降至−15℃时，各压力工况下RP-5的质量流量比RP-3大2%～4%。这一差异可以从喷嘴流量方程的基本关系中得到解释：相同工况下喷嘴喷口面积A₀不变，供油压力Δp一定时，假设质量流量系数C_d不变，质量流量q_m由燃油密度ρ决定。RP-5的密度大于RP-3，故RP-5的质量流量大于RP-3。分析得出各温度条件下RP-5与RP-3质量流量的理论差值分别为2%、2.3%、2.4%，与试验规律相符。

然而，燃油温度降至−30℃时，质量流量的温度响应出现了值得关注的偏离。在0.225、0.45 MPa和0.675 MPa供油压力下，RP-5的质量流量相比RP-3的差值分别为−3.2%、−1.7%和1.3%。即在0.45 MPa及以下供油压力下，RP-5的质量流量反而小于RP-3。这一现象的物理机制在于：−30℃时RP-3的密度增大4%、运动黏度增大161%，而RP-5的密度增大5%、运动黏度增大330%，RP-5的运动黏度增幅是RP-3的2倍。流通面积一定时，在较小的供油压力下，RP-5因运动黏度大幅增加而产生的流阻效应占据主导地位，质量流量低于RP-3；随着供油压力增大至0.675 MPa，提供的动能增加，克服流阻能力增强，同时密度的影响比重逐渐提升，RP-5的质量流量重新超过RP-3。

这一发现揭示了低温条件下离心喷嘴质量流量特性的双重控制机制：在低供油压力区，黏度效应主导，RP-5流量偏低；在高供油压力区，密度效应主导，RP-5流量偏高。对于燃烧室燃油控制系统的低温适配而言，这意味着RP-5替代RP-3时不能简单地按密度比例调整供油量，而需要根据实际供油压力区间进行差异化标定。

3.2 雾化锥角

在0.45 MPa供油压力下，RP-3和RP-5燃油的雾化锥角随温度变化的趋势呈现以下特征：相同燃油温度条件下，两种燃油的雾化锥角相差不大，均在4%以内，这与于小兵等的研究结论一致。随着温度降低，雾化锥角明显减小：−30℃时RP-3的雾化锥角减小了11°（约14%），RP-5减小了18.5°（约23%）。

雾化锥角减小的物性机理可以从两个层面理解。其一，密度增加导致燃油的惯性增加，液滴在喷射过程中更难扩散，喷雾包络线趋于收缩。其二，运动黏度增大增加了燃油的内部摩擦，液膜在喷口处的破碎过程中更难形成充分展开的液滴群，导致喷雾锥角减小。RP-5的物性参数对温度变化更为敏感，尤其是运动黏度在−30℃时的增幅达到330%，因此低温对其雾化锥角的抑制作用更为显著。

雾化锥角的减小在工程上具有双重影响：一方面，锥角缩小意味着燃油喷射的空间覆盖范围减小，可能导致燃油与空气混合区域的不匹配，局部富油或贫油区域的出现会恶化燃烧效率并增加排放；另一方面，较小的锥角有助于减少燃油碰壁现象，降低壁面烧蚀的风险。在RP-5替代RP-3的换装评估中，需要结合燃烧室头部结构的具体尺寸，判断锥角减小是否会造成燃油喷射范围偏离设计混合区。

3.3 雾化粒度

在0.45 MPa供油压力下，RP-3和RP-5燃油的SMD随温度变化的规律清晰：相同供油压力下，随着燃油温度降低，SMD增大，雾化质量变差。相同燃油温度条件下，RP-3的密度、运动黏度和表面张力均小于RP-5，其SMD亦小于RP-5，偏小10%～20%，雾化质量略好于RP-5。燃油温度降至−30℃时，RP-3和RP-5的SMD相比常温工况分别增大了48%和62%。

上述结果与Lefebvre等建立的SMD与燃料黏度和表面张力正相关关系一致。低温下RP-5运动黏度的增幅（330% vs 219%）远大于RP-3，表面张力增长幅度相当，因此其SMD的增大更为显著。从工程影响来看，SMD增大意味着液滴平均尺寸变大，燃油蒸发速度降低，在燃烧室有限的停留时间内难以实现充分蒸发和混合，从而降低燃烧效率并增加未燃碳氢化合物的排放。这一效应在高空低温再点火工况下尤为突出，因为此时燃烧室内的空气温度同样处于低位，液滴蒸发速率进一步降低。

沿半径方向的SMD分布揭示了低温雾化场的空间结构变化，燃油温度在−15℃及以上时，RP-3和RP-5的雾化SMD沿半径方向呈现“Γ”形分布规律，即喷雾中心区域SMD较大、边缘区域SMD较小。RP-3在−15℃与20℃时的SMD极值差在半径9 mm处，相差48 μm。随着燃油温度降至−30℃，雾化质量明显恶化，SMD增大至160 μm以上，在有效的颗粒分布半径范围内呈现“一”字规律分布，表明喷雾场丧失了原有的径向粒径梯度结构，液滴尺寸趋于均匀化但整体粒径显著增大。

从颗粒数沿半径分布来看，RP-3在−15～20℃温度范围内雾化边界在沿半径方向21 mm位置，温度降至−30℃时雾化边界收缩至18 mm位置，与雾化锥角的减小趋势一致。RP-5从20℃降低至−30℃，雾化边界沿半径方向由27 mm依次减小至24、21、15 mm位置。雾化边界的显著收缩进一步证实了低温下喷雾空间覆盖范围的缩减，这在燃烧室设计中需要引起重视，因为喷雾边界与火焰筒壁面之间的距离变化可能影响壁面冷却效果和燃油碰壁倾向。

3.4 雾化均匀度

根据试验数据建立R-R分布函数，计算液滴分布指数n。RP-3燃油的n值取值为1.86～2.16，RP-5的n值取值为1.94～2.48，均符合喷嘴雾化的一般规律（n一般在1.8～4范围内）。随着燃油温度降低，两种燃油的n值均呈现先下降后上升的趋势。

对于常温燃油，RP-3的n值比RP-5大0.12（约6%），液滴尺寸分布均匀性差别不大。燃油温度在0℃和−15℃时，两种燃油的n值变化不明显，RP-5的n值比RP-3大5%左右。燃油温度降至−30℃时，RP-5的n值比RP-3大0.36（约17%），表明RP-5的雾化液滴尺寸差别小、尺寸分布更集中。

这一发现具有重要的工程意义。虽然低温导致液滴平均尺寸变大（SMD增大），但液滴尺寸分布却变得更加集中。这意味着在实际燃烧过程中，虽然单个液滴的蒸发时间延长，但液滴之间的蒸发行为更加一致，有助于形成更加均匀的混合气。从燃烧组织角度而言，均匀的液滴尺寸分布有利于火焰前锋的稳定传播，减少局部富油或贫油区域的出现。

然而，有研究在更极端的温度条件下（−40℃）发现，提高供油压差不能显著改善液滴尺寸分布均匀性，n值波动范围仅为1.5～2.5。这表明在−30℃至−40℃之间存在一个雾化均匀度的转变区间，当温度低于该区间后，仅依靠增大供油压差已难以有效改善分布均匀性，需要考虑燃油预热或喷嘴结构优化等主动措施。本研究在−30℃条件下观察到的n值回升趋势，可能正处于这一转变区间的上边界附近。

第四章、喷嘴低温燃油特性总结与展望

本文通过搭建喷嘴特性试验系统，以单油路离心喷嘴为对象，系统研究了RP-3和RP-5燃油在20℃至−30℃温度范围内对质量流量特性、雾化锥角、SMD及液滴尺寸分布的影响，主要结论如下：

（1）质量流量特性的双重控制机制。低温下离心喷嘴的质量流量受燃油密度和运动黏度的竞争性影响。RP-5在0～−15℃范围内因密度优势较RP-3高2%～4%；但在−30℃条件下，RP-5运动黏度增幅（330%）约为RP-3（219%）的1.5倍，导致低供油压力（≤0.45 MPa）下黏度效应主导，RP-5质量流量反低于RP-3达−1.7%～−3.2%；供油压力升至0.675 MPa后密度效应重新占据主导。这一发现表明，RP-5替代RP-3时的燃油控制系统标定需按供油压力区间进行差异化处理。

（2）雾化锥角对燃油种类的差异化响应。两种燃油在相同温度下的雾化锥角差异在4%以内，但温度敏感性差异显著：−30℃时RP-3锥角减小约14%，RP-5减小约23%。RP-5低温下运动黏度的急剧增大是锥角收缩更为显著的主导因素。

（3）SMD的温度依赖性与燃油种类效应。SMD随温度降低而增大，−30℃时RP-3和RP-5分别较常温增大48%和62%。RP-3的SMD整体偏小10%～20%，雾化质量略优。SMD的增大在工程上直接表现为蒸发速率降低和燃烧效率下降。

（4）液滴尺寸分布的集中化趋势。液滴分布指数n呈先降后升的非单调变化，−30℃时RP-5的n值较RP-3高约17%，表明低温下液滴平均尺寸虽然增大，但尺寸分布趋于集中。这一特性在燃烧组织上具有两面性：均匀的液滴尺寸有利于稳定火焰传播，但增大的平均粒径延长了蒸发时间。

本研究为燃烧室低温燃油点火性能评估和海洋环境下RP-5替代RP-3的工程决策提供了基础试验数据。后续研究可进一步关注以下方向：极端低温（−40℃及以下）条件下两种燃油的雾化特性转变规律；基于数字全息等先进测量技术的三维喷雾场定量表征；以及低温雾化质量与燃烧室点火边界之间的定量映射关系建立。