闪急沸腾喷雾形成机理及燃烧应用研究进展
作者：李雪松，王上宁，杨尚泽，邱舒怿，孙哲，孔令逊，许敏
单位：上海交通大学
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研究背景
闪急沸腾喷雾是一种通过加热使液相工质初始热力学状态跃迁至过热态，在喷射过程中因局部压力降低至饱和蒸汽压以下而诱发相变，进而实现孔内气液相混合以促进雾化的技术路径。闪急沸腾概念最早被应用于航空动力系统，自上世纪80年代以来被引入内燃机领域；近十年间，动力系统清洁高效的发展方针，特种设备对极端环境的适应需要，以及碳中和燃料逐步走向应用的现实共同为燃油雾化带来了新的挑战，而闪急沸腾喷雾策略因其在解决上述问题方面的巨大潜力而得到学界于工业界的共同关注。
闪急沸腾喷雾通过引入孔内自源性气相组分实现高效雾化，能够在较低的喷射压力下生成更小的燃油液滴，并显著改善液相贯穿距、喷雾角等宏观形态，有助于生成更均匀的燃油混合气以支持下游燃烧过程。传统碳氢燃料可通过主动式加热系统诱发闪沸，而液氢/液氨等碳中性燃料由于其低沸点、高挥发性，在喷射过程中会自发经历闪沸过程。大量研究已证实了闪沸策略对于燃烧准备阶段的增益作用，以及低碳/零碳燃料对闪沸喷雾的适配性。
闪急沸腾喷雾的独特之处源于其孔内气相引入导致的破碎机理变化，但暨有研究多聚焦于外场特征参数，对于孔内相变及近场初次破碎过程缺乏剖析；主流观点对于闪沸破碎的认知仍为经典机械破碎的附属过程，其基于外场液滴微爆破碎的理论框架难以解释闪沸喷雾的独特发展规律。此外，闪沸喷雾对于实际燃烧火焰及污染物生成的影响缺乏实验数据支撑。本研究旨在揭示闪沸喷雾孔内主导的初次破碎机理、解明气相组分对于外场宏观特征的本质性影响，并以实验数据证明闪沸喷雾在燃烧优化过程中的重要作用。
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核心观点
（1） 闪急沸腾喷雾破碎过程由孔内相变所形成膜泡结构在近出口位置发生的爆裂主导，属于初次破碎过程，与扰动机械破碎具有同等地位；
（2） 闪沸内流流型随过热度规律性变化，导致孔口截面气液相分布差异，依照该分布可将出口划分为闪沸破碎主导区与机械破碎主导区，两者耦合共同决定外场液滴分布规律；
（3） 气相组分的引入显著改变外场宏观特征，径向膨胀趋势增强，液相通量降低，贯穿距与喷雾角将不再是衡量混合气生成质量或附壁油膜形成倾向的有效参数；
（4） 闪急沸腾现象与喷雾坍塌不应被混为一谈，闪沸过程中出现的喷雾坍塌现象也未必会导致池火等恶化燃烧现象，近壁面液相通量是评估闪沸池火倾向的重要指标；
（5） 闪急沸腾策略有利于提升燃烧系统热效率，能够极大程度抑制碳烟的生成，是解决冷启动阶段污染严重、代用燃料难雾化的有效途径，在直喷式汽油机或均质压燃发动机中应用前景广泛。
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主要成果
（1）闪沸喷雾膜泡爆裂初次破碎模型
孔内相变气泡所主导的是破碎过程是闪沸喷雾区别于经典冷态喷雾的关键所在。气泡内压力可近似为对应温度下饱和蒸汽压，当气泡运动至近出口位置，裹挟在蒸汽相与外场氛围气体间的液相燃油被拉伸形成膜泡结构，并在压力梯度驱动下迅速膨胀，最终克服表面张力撕裂膜泡，在孔口位置形成微小闪沸液滴，此即为闪沸喷雾破碎核心过程。大量近场微观实验证明，闪沸破碎是与机械破碎具备同等地位的初次破碎过程，而非如液滴微爆框架中所述附属子过程。
图1 闪急沸腾喷雾膜泡爆裂初次破碎模型框架
（2）闪沸孔内流型与外场转涙判定机制
作为闪沸破碎的关键，喷孔出口截面的气相分布直接影响膜泡爆裂主导范围。通过三维矩形光学流道实验发现，闪沸开口系内流气泡存在形式随过热度增加呈现规律性变化，其规律与经典闭口系Hewitt-Roberts流态图存在相似性，这一规律为闪沸内流相组分分布预测提供思路。通过过热度-流型分析，可将出口划分为气相主导区及液相主导区，在不同区域内，下游喷雾破碎分别由膜泡爆裂破碎机制与冷态机械破碎机制主导。这一时空间耦合的破碎机制合理解释了冷态喷雾-过渡闪沸-完全闪沸喷雾的渐进式发展过程，气相主导区的相对面积也为外场闪沸喷雾特征转涙发生条件的判定提供了理论依据。
图2 闪沸内流流型演化及外场转涙准则
(a).Hewitt-Roberts流态图与典型闪沸内流对应关系 (b).三维矩形基础流道闪沸内流流型演化规律 (c).基于出口气相分布特征的闪沸转涙判定准则与对应外场喷雾特征
近场膜泡爆裂破碎使液滴具备了径向初速度，同时孔内蒸汽相在环境低压中经历快速膨胀，两因素共同作用使得闪沸喷雾在近场发生扩散式发展，喷雾由冷态液相主导的锥状转变为由气液相共同作用形成的柳叶状。在此条件下，经典宏观喷雾参数如液相贯穿距、喷雾角等概念将难以表征喷雾发展，需引入新的评价指标以衡量混合气均匀性、喷雾传播能力等。通过采集指定空间点液滴数量、粒径与速度信息，可计算液相通量，能够有效反应组分分布情况，并为燃油附壁等异常状态评估提供可信指标。因此，液相通量是评估闪沸喷雾宏观发展特征的可靠参数之一。
图3 气相组分引入导致闪沸外场宏观形态显著变化
(a).冷态工况近场喷雾锥状发展 (b).闪沸工况近场喷雾柳叶装发展 (c).膜泡爆裂引入径向速度分量导致特异性发展趋势 (d).实验观测闪沸喷雾宏观形态变化
燃油撞壁是导致碳烟生成的重要因素，由于多孔闪沸喷雾易发生坍塌导致贯穿距增大，诸多研究认为闪沸策略将不利于实际燃烧减排。如前所述，外场闪沸喷雾区别于高压冷态喷雾，主体为参杂大量气相的液滴集群，液相贯穿距无法准确表征燃油附壁倾向。实验发现，闪沸喷雾远场液相通量远小于高压冷态喷雾，表明在闪沸喷雾中实际接触到壁面的燃油主要以气相形式存在，对附着油膜进行测量，发现闪沸工况下，油膜附着厚度与覆盖范围显著低于冷态工况。上述结果表明使用闪沸策略能够有效降低油膜附着质量，减少碳烟生成，也进一步佐证了使用液相通量而非贯穿距来评估闪沸喷雾效果的必要性。
图4 闪急沸腾导致液相通量及附壁油膜变化
(a).随过热度提升液相通量显著下降 (b).附壁油膜温度分布特征 (c).附壁油膜厚度分布特征 （c与b为同步测量）
（5）闪沸燃烧效率提升及碳烟抑制
闪沸策略是助力理想混合气形成的手段，其最终目的为优化燃烧过程。在光学发动机中进行闪沸燃烧测试，高速彩色摄影结果表明，闪沸喷雾有助于生成更为均匀的混合气，促进燃烧充分进行，降低黄色火焰（燃烧不充分，易生成碳烟）占比。通过电镜观测碳烟生成情况，结果表明闪沸策略能够有效抑制碳烟颗粒的大小与生成量，为更加高效清洁的燃烧提供有力支持。
图5 闪沸策略实际燃烧环境测试
(a). 不同燃烧策略下火焰特征（光学发动机） (b).不同燃烧策略下碳烟生成情况（定容燃烧弹）
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参考文献
[1] Xuesong Li, Shangning Wang, Shangze Yang, Shuyi Qiu, Zhe Sun, David L.S. Hung, Min Xu, A review on the recent advances of flash boiling atomization and combustion applications, Progress in Energy and Combustion Science, 100:101119 (2024)
[2] Shangning Wang, Shuyi Qiu, Yijia Zhang, Mingli Cui, Xuesong Li, Min Xu, In-nozzle multi-phase flow patterns in flash boiling atomization and their impacts on external sprays, Experiments in Fluids, 64,48 (2023)
[3] Shuyi Qiu, Di Xiao, Xuan Zhang, Shangning Wang, Tongyang Wang, Xuesong Li, Min Xu, Experimental investigations of the phase change impacts on flash boiling spray propagations and impingements, Fuel, 312:122871 (2022)
[4] Zhe Sun, Mingli Cui, Mohamed Nour, Xuesong Li, David Hung, Min Xu,
Differences in pool-fire induced soot production between subcooled spray and flash boiling spray in a DISI engine, Fuel, 287:119453 (2021)
[5] Mingli Cui, Weixuan Zhang, Jinhong Fu, Xulin Luo, David L.S. Hung, Min Xu, Xuesong Li, Impact of flash boiling spray on soot generation of a rich fuel–air mixture under various ambient pressures, Combustion and Flame, 263:113388 (2024)
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作者介绍
李雪松，上海交通大学机械与动力工程学院副教授。在西安交通大学获学士学位，在美国弗吉尼亚理工大学师从马林教授获硕士和博士学位。主要从事燃烧激光诊断、液体射流雾化、内燃机优化设计等；获选国际液体射流雾化系统学会Hiroyuki Hiroyasu Award，任2023-2026年亚洲液体射流雾化学会青年委员会主席、2023-2025年全国青年燃烧学术会议程序委员会燃烧诊断组委员等职务。
许敏，上海交通大学机械与动力工程学院教授。在上海交通大学获学士学位，在广岛大学师从Hiroyuki Hiroyasu教授获硕士和博士学位。长期从事喷雾燃烧动力系统研究，包括闪急沸腾喷雾、复杂流场光学诊断、内燃机系统设计等。许敏教授于2022至2024年担任国际液体雾化与喷雾系统学会（ILASS-International）主席，入选国际汽车工程师学会会士（SAE Fellow）、国际燃烧学会会士（CI Fellow）。
本期编辑：刘洋 审校：胡皓玮
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