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航空燃料空化的实验表征研究

作者及机构
本研究由美国圣母大学（University of Notre Dame）航空航天与机械工程系的Patrick F. Dunn（通讯作者）、Flint O. Thomas、Michael P. Davis和Irina E. Dorofeeva合作完成，发表于2010年11月的《Physics of Fluids》期刊（DOI:10.¹⁰⁶³⁄₁.3490051）。

学术背景
研究领域为多相流体动力学，聚焦于航空燃料JP-8在收敛-扩张喷嘴（converging-diverging nozzle）中的空化现象（cavitation）。空化是流体压力降至饱和蒸气压以下时形成气相空穴的物理过程，在航空燃油系统中可能导致性能下降或部件损坏。尽管水中的空化研究已较成熟（如海洋工程领域），但针对烃类燃料（如JP-8）的空化机理尚缺乏系统性实验数据。本研究旨在填补这一空白，通过对比JP-8、十二烷（dodecane，JP-8的主要单组分替代物）和蒸馏水的空化行为，揭示燃料空化的独特特征及其与流体物性（如表面张力、黏度、多组分性）的关联。

研究流程与方法
1. 实验装置与流体表征
- 喷嘴设计：采用二维矩形截面收敛-扩张喷嘴，喉部高度1.6 mm，入口-喉部面积比12:1，通过五阶多项式拟合轮廓以避免流动分离。
- 流体选择：JP-8（含228种烃类及添加剂）、十二烷（C12H26，JP-8中占比22.54%的单一组分）和蒸馏水，对比其物性（密度、表面张力、蒸气压）及溶解气体含量。
- 实验系统：采用真空驱动流动装置，通过调节背压（back pressure）控制空化条件，流量由磁性流量计监测，并辅以高速摄影（Photron Fastcam-ultima APX，8000帧/秒）记录空化结构。

1. 空化表征技术

   • 压力测量：沿喷嘴中心线布置40个压力传感器（Setra 209），空间分辨率3.2 mm，采样频率20 kHz，精度±3%。
     
   • 空泡分数（void fraction）测量：基于高速图像分析，通过像素强度阈值法区分气相与液相，结合时间-空间平均计算局部空泡分数（公式1-6），不确定度≤10%。
     
   • 微气泡注入实验：通过5根微针（160 μm内径）在喷嘴入口注入空气，控制初始空泡分数（0.5%-1.5%），研究其对空化结构及激波位置的影响。
     

2. 实验工况

   • 单相与两相流对比：对每种流体测试无空化（高背压）和空化（低背压）两种流态，背压范围10-60 kPa。
     
   • 阻塞流（choked flow）验证：通过质量流量不随背压降低而增加的临界条件确认阻塞状态，JP-8、十二烷和水的临界背压比（p*/p0）分别为0.49、0.53和0.55。
     

主要结果
1. 空化结构差异
- 水：空泡在喉部下游迅速合并形成大尺寸气团（>1 mm），并在扩张段出现明显的“气泡激波（bubbly shock）”，空泡分数从峰值80%骤降至5%（图13）。
- JP-8与十二烷：空泡保持独立小尺寸（~100 μm），无剧烈合并现象；JP-8的空泡分数呈渐变下降（图14），而十二烷表现出弱激波特征（图15）。

1. 压力分布与阻塞机制

   • 水的压力恢复集中在激波区（Δx/L≈0.05），而JP-8的压力恢复跨越更长的流道（Δx/L≈0.4）（图11）。
     
   • 通过Rayleigh-Plesset方程模拟（图21）表明，水的表面张力（72 mN/m）导致空泡剧烈坍塌，而JP-8的低表面张力（23 mN/m）和多组分特性使空泡动态更平缓。
     

2. 微气泡注入影响

   • 增加初始空泡分数（ψ0）使激波位置向下游移动（图20），水的ψ0=0.19%时激波位于x/L=0.4，而JP-8因溶解气体含量高（7倍于水），其等效ψ0=0.5%。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次系统量化了JP-8的空化特性，揭示了多组分燃料与单组分流体（水、十二烷）在空泡动力学上的本质差异。
- 提出了空泡分数与压力分布的关联模型，为燃料系统空化预测提供了实验基准。

1. 应用价值
   
   • 航空燃油泵设计：JP-8的空泡持久性（无剧烈坍塌）可能减少部件侵蚀，但需警惕其导致的流动不稳定。
     
   • 喷嘴优化：低表面张力燃料的空化更易引发有效压缩性（effective compressibility），需调整喉部几何以控制阻塞效应。
     

研究亮点
- 创新方法：结合高速摄影与非侵入式空泡分数测量，实现了空化结构的时空解析。
- 新发现：JP-8的多组分特性延缓了气泡坍塌，这一现象无法用传统单组分空化理论解释。
- 工程关联性：实验喷嘴尺寸（1.6 mm喉部）与实际燃油系统部件接近，数据可直接支持设计验证。

其他价值
- 证实了壁面微坑（micropits）是空化核的主要来源，为后续表面处理技术（如抛光或涂层）提供了依据。
- 微颗粒（如铁氧化物）的实验表明，高浓度（>0.4 g/L）可改变空化起始位置，但JP-8的自然沉降使其影响可忽略。

此报告全面覆盖了研究的背景、方法、结果与价值，尤其注重实验细节与数据的逻辑关联，可为相关领域研究者提供参考。