燃油霧化在航空發動機預混燃燒過程中起著至關重要的作用，它直接影響燃燒效率、燃燒穩定性以及排放物的生成。霧化過程涉及到液體在噴嘴出口處受到空氣擾動力和液體表面張力的共同作用，導致液體發生破碎，形成液線狀、液帶狀以及液環狀液滴，完成一次霧化過程。隨后，這些液滴在空氣擾動力和液體表面張力的共同作用下繼續破碎形成更小的液滴，完成整個霧化過程。燃油噴嘴是決定供油流量、穩定性、濃度分布、霧化細度與均勻度的關鍵部件，對燃油噴嘴的主要結構和參數進行優化具有重要的理論研究意義和工程應用價值，燃油噴嘴內部流動和結構參數（例如擴張角、直線段長度、旋流槽升角和旋流槽個數等）對霧化特性有顯著影響。

      微細激光粉末床熔化（μ-LPBF）技術是一種增材制造技術，能夠制造具有高精度和表面粗糙度的復雜結構。這項技術被應用于航空發動機燃油噴嘴的結構優化，以提高其在低流量工況下的周向均勻性。近日，上�？萍即髮W創意與藝術學院智造系統工程中心（CASE）的楊銳課題組進行了燃油噴嘴優化的研究，成果發表在2024年10月7日的《流體物理》（Physics of Fluids）期刊上。

▲https://doi.org/10.1063/5.0230299

洞察

“燃油噴嘴的霧化過程是航空發動機燃燒室中的一個重要環節，它涉及到將液態燃料轉化為細小的霧化顆粒，以實現與空氣的高效混合并促進燃燒。燃油噴嘴的霧化過程是一個復雜的物理過程，涉及到液體動力學、熱力學和流體力學等多個領域。增材制造技術的最高精度在μm量級，完全能夠滿足尺寸在mm量級上的噴嘴加工限制要求。此增材制造技術的應用在噴嘴研制領域的優勢體現在減少加工裝配工序的個數、實現多種復雜結構的設計方案、保證密封要求、尺寸精度更高以及加工周期短等方面。通過結構優化和增材制造技術的應用，可以顯著提升燃油噴嘴的霧化性能，從而提高航空發動機的燃燒效率和穩定性。”

 動力學優化

近日，上�？萍即髮W創意與藝術學院智造系統工程中心（CASE）楊銳課題組針對航空發動機燃油噴嘴結構，采用耦合歐拉-拉格朗日流體力學算法對下游霧化過程進行了動力學優化，以在低流量工況下實現更高的周向均勻性。研究團隊使用微細激光粉末床熔化（μ-LPBF, Laser Powder Bed Fusion）技術制造噴嘴結構，并通過與原型結構的實驗對比驗證了其優化效果。該研究成果以題為“Dynamics Optimization of Coupling Atomization Process in an Injector Achieved by Novel Micro Laser Powder Bed Fusion”的論文發表在2024年10月7日的國際權威期刊《流體物理》（Physics of Fluids）上。

▲FIG.4 (a) Computational grid. (b) Y-plus for prototype injector.

▲FIG.11 Swirl groove and gas–liquid distribution of prototype swirler. (a) Prototype swirler. (b) Gas–liquid distribution.

▲FIG.12 Comparison between prototype swirler and optimized swirler. (a) Prototype swirler. (b) Optimize swirler.

研究首先利用了Volume of Fluid-Discrete Phase Method耦合多相流算法，結合大渦模擬湍流（Large-eddy Simulation）模型，針對某型燃油噴噴嘴發現了其在低流量條件下遇到的周向霧化不均勻的問題，這可能對發動機啟動性能產生負面影響。

通過細致剖析，研究人員發現，原型噴油器由于結構因素，在噴嘴旋流器支撐結構下方和旋流槽內產生了渦流和毛細化氣泡。這些氣泡隨燃油流動下游，不斷拉伸、變形并最終破裂，導致液膜產生顯著波動，從而在原型噴油器中引起較大的周向不均勻性。

為應對這一挑戰，研究人員利用增材制造技術的優勢，以下游喉道橫截面壁面壓力和流速分布為監測目標，對噴嘴的旋流器結構進行了三維結構優化。通過設計多扭度旋流槽，構建了空間三維流道，有效緩解了毛細氣泡空化現象。對比計算結果表明，優化后的噴嘴在多數上下游氣動參數方面與原型噴嘴保持相似，但在低流量條件下的周向均勻性顯著改善，從41.48%降低至14.69%。

▲FIG.21 Numerical results of no airflow. (a) Non-uniformity phenomenon. (b) Gas–liquid distribution.

      優化后的旋流器結構采用μ-LPBF技術進行制造，實現了流道結構的高尺寸精度（±0.025 μm）和出色的表面粗糙度（Ra優于3.2 μm），符合工況要求。在霧化性能測試中，比較了傳統旋流器結構與μ-LPBF成型的旋流器燃油噴嘴。

測試結果顯示，優化后的結構在低流量條件下燃油分布的均勻性顯著提升，均勻性偏差從42.31%降低至28.76%。這一成果進一步驗證了增材制造技術賦能結構優化設計的有效性。該跨學科研究不僅展示了增材制造技術在微細結構制備方面的潛力，還為優化燃油噴嘴結構設計提供了新的思路。隨著增材制造技術的不斷進步，預計其將逐步應用于航空發動機和燃氣輪機領域的先進噴射系統設計與制造中。

上�？萍即髮W是該研究的第一完成單位，北京航空航天大學、中科院金屬研究所分別為第二、第三單位。智造系統工程中心趙榮發和翟梓融老師為共同第一作者，王韋昊老師為通訊作者。

來源
   上海科技大學創藝學院智造系統工程中心（CASE）是上�？萍即髮W研究中心的一部分。CASE開展材料、物理、自動化控制、計算機科學、電子工程、機械工程等跨學科基礎研究。CASE專注于自適應3D打印材料、結構設計和過程集成、表面工程、自適應修復、精密檢測與自動化、數字化裝配等領域。通過漸進式和變革性的研究和集成應用，CASE旨在構建基于數據、物聯網和制造全過程閉環反饋的自適應制造系統，形成高端智能制造技術平臺，致力于高端設計制造領域的終端制造突破和創新。

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