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影響飛機燃油箱惰化系統(tǒng)參數的數值研究

2011-12-22 03:11黃光容何亞平
火災科學 2011年2期
關鍵詞:惰化燃油箱油箱

黃光容,何亞平,牛 奕,汪 箭*

(1.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,合肥,230026;2.澳大利亞西悉尼大學)

影響飛機燃油箱惰化系統(tǒng)參數的數值研究

黃光容1,何亞平2,牛 奕1,汪 箭1*

(1.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,合肥,230026;2.澳大利亞西悉尼大學)

選取單個飛機燃油箱,運用CFD方法模擬了燃油箱惰化系統(tǒng)的惰化過程。CFD方法的模擬結果與文獻中的理想混合模型及經驗公式吻合較好。通過模擬,發(fā)現(xiàn)增加富氮氣體的流量、提高富氮氣體中的氮氣含量可以縮短惰化時間,而增加富氮氣體噴嘴直徑和燃油箱的體積則會延長惰化時間。其他參數如燃油箱的形狀和富氮氣體噴嘴位置對惰化時間沒有明顯的影響,但是影響燃油箱內部的氧氣濃度分布。

惰化;富氮氣體;CFD;純度;直徑

0 引言

1996年環(huán)球航空公司800航班由于燃油箱中線路短路而造成飛機失事,由此引起了專家學者對于飛機燃油箱惰化系統(tǒng)的研究[1-4]。飛機在地面時,燃油箱中液面以上的氣相空間的氧氣濃度為21%,飛機在爬升過程中由于壓力的降低而使得溶解在燃油中的氧氣被析出,此時的氧氣濃度大于21%,當氧氣與燃油的揮發(fā)蒸汽混合,在有點火源的情況下極易發(fā)生燃燒或是爆炸[5]。減少或消除燃油箱燃燒爆炸危險性的一個有效方法是使用惰性氣體對燃油箱進行沖洗,以使燃油箱的氧氣濃度低于其燃燒極限[6-8]。相對于CO2和氦氣等惰性氣體,氮氣更容易制備,所以在飛機燃油箱的惰化過程中采用了富氮氣體(即摻有少量氧氣的氧氮混合氣體(NEA))對燃油箱進行沖洗,這個過程稱為惰化[9-14]。當燃油箱中氣相空間的氧氣濃度低于9%時,燃油箱在有點火源或是炮彈打擊的情況下不會發(fā)生燃燒或是爆炸[15]。影響惰化過程的參數很多,Burns通過實驗設計一系列的參數,包括NEA氣體的流量,純度,烴類氣體的濃度以及溫度等對惰化過程的影響[16],但是對于其他的因素,比如燃油箱的屬性參數,氣體噴嘴參數等卻沒有詳細研究。飛機燃油箱安全是保障飛機安全的一個重要的因素,本文在前人的基礎上,運用CFD方法研究了NEA氣體的屬性參數,如流量及純度等,燃油箱的形狀及體積,NEA氣體噴嘴的位置及直徑大小等,通過模擬研究,完善了前人對于燃油箱惰化系統(tǒng)的研究。

術語Cv 方差系數噴嘴直徑(m)dv 出氣口直徑 (m)D d立方體油箱油箱邊長 (m)N總的單元數P壓力(pa)Qm NEA氣體的質量流量(kg/s)擴散系數(kg/m2·s)E體積置換G方差L

溫度(K)u,v,w 在x,y,z方向速度V速度矢量W油箱體積(m 3)希臘字母α體積置換率β惰化率φ t時刻的平均氧氣濃度β a 環(huán)境氧氣濃度φ i N E A氧氣濃度η熱傳導系數(W/m 2 K)μ粘性系數 (k g/m s)ρ密度(k g/m 3)下標a環(huán)境j網格節(jié)點k組分系數T

1 CFD方法及無量綱參數

1.1 基本控制方程

質量守恒方程:

動量守恒方程:

惰化過程中沒有化學反應,因此組分輸運方程如下

能量守恒方程為:

在燃油箱惰化過程中,氣體的運動速度較大,屬

: 于湍流運動,而 k-ε模型在模擬湍流運動時能夠較好捕捉過程,所以應用標準的 k-ε模型;重力方向為y的負方向,數值大小為9.81s/m2。氣體混合物為不可壓縮理想氣體。由于燃油蒸汽相對于NEA氣體的噴射量非常少,基本不對惰化過程產生影響[16],所以燃油蒸汽忽略不計。同時燃油與氣相的交界面作為研究對象的邊界。

1.2 網格及無量綱參數

1.2.1 研究系統(tǒng)

燃油箱的基本條件如下:一個長寬高均為1米的立方體假定為燃油箱并作為研究對象,一個NEA氣體進口和一個氣體出口,底面假定為燃油箱中液相與氣相的交界面。如圖1所示:

圖1 燃油箱尺寸及結構Fig.1 The dimensions of the fuel tank

其中,體積置換率(表示單位時間的體積置換,定義為:

1.2.2 網格

如圖2中所示的燃油箱惰化系統(tǒng)的進氣口、出氣口和其余位置采用不同的網格密度,對其中的進氣口和出氣口應用三角形網格,并進行了加密,進出口旁邊采用網格逐步加密的方式,非進出口位置采用四邊形網格。

1.2.3 無量綱參數

為了便于分析計算結果,引入兩個無量綱參數:第一個是體積置換,E,定義為噴入的NEA氣體總量與燃油箱體積的比率:

第二個無量綱參數為惰化率,其定義為:

圖2 油箱網格系統(tǒng)Fig.2 The grid system of the tank

Burns和Cavage通過假定惰化過程中惰化氣體噴入油箱后即時混合均勻,得到惰化率與體積置換有以下關系[16]:

同時他們假定NEA氣體純度是唯一的變量,并通過做實驗得到了他們的經驗關系式如下:

2 CFD計算過程

本文首先對網格獨立性進行了分析,本文共選取3組不同的網格尺寸,其取值如如表1所示。

表1 網格獨立性分析Table 1 The analysis of mesh sensitiveness

其次,本文主要考慮了以下可能影響惰化系統(tǒng)惰化過程的因素:

1)NEA氣體的屬性

NEA氣體的濃度不同對對惰化過程的影響,如表2中A系列所示。

NEA氣體噴射流量不同對惰化過程的影響,其參數如表2中系列B所示。

NEA氣體的流量和油箱體積同時變化,如表2中C系列所示。

2)油箱的體積和形狀

油箱的形狀為圓柱形、立方形與長方體,同時,他們的體積大小一樣,均為1m3

油箱為立方體,體積變化過程中即為立方體邊長的增加,如表2中D系列所示。

3)NEA氣體噴嘴的位置及直徑

位置如圖3所示,NEA氣體噴嘴的位置分別在角落(圖3(a)),左邊(圖3(b))和中央(圖 3(c)),考慮這三種情況下對惰化過程的影響。

NEA氣體噴嘴直徑不同對惰化過程的影響,如表2中的E系列所示。

圖3 不同的NEA噴嘴位置Fig.3 Different inlet nozzle locations

表2 參數取值Table 2 The parameters

C 0.001~5.832 - 5 0 0.01 0 0.06 0 1~1.8 0.2 D 0.006 0 5 0 0.01 0 0.06 0 1~2 0.2 E 0.001 0 5 0 0.005,0.015 0.01~0.06 0.01 0.06 0 1 0

3 結果及分析

3.1 網格獨立性分析

從圖4可以看出,當對進氣口,出氣口和其余位置采用不同的網格密度時,氧氣濃度隨時間的變化曲線基本不變,說明在計算的精度要求范圍內,網格尺寸基本不影響計算結果,綜合考慮計算的精度和計算成本,本文選用case 2中所示的網格密度。

圖4 氧氣濃度隨時間的變化曲線Fig.4 Variation of O2concentration in the tank at different time

3.2 NEA氣體屬性對惰化過程的影響

圖5 當 NEA氣體純度不同時,氧氣濃度的變化Fig.5 Variation of O2concentration in the tank at different NEA purities

3.2.1 NEA氣體純度變化

從圖5可以看出,在流量等其他條件不變時,增加NEA氣體的純度,惰化所需要的時間減少。

圖6 CFD結果與理想混合模型和經驗公式對比Fig.6 Volumetric tank exchange versus tank inerting ratio for different NEA purities:Comparisons with different models

將圖5中的結果換成無量綱參數可得到圖6,從圖6可以看出,當 NEA氣體純度不同時,其體積置換與惰化率曲線重合為一條曲線,如圖中曲線A所示。并將CFD的結果與理想混合模型(式10)和Burns的經驗公式(式11)進行比較,發(fā)現(xiàn)他們吻合程度較好。由此可以證明CFD能夠比較準確地模擬惰化過程中氧氣濃度的變化。

圖7 當NEA射流流量不同時油箱氧氣濃度的變化曲線Fig.7 V ariation of O2concentration in the tankat different NEA(95%N2)injection rates at left middle nozzle location

3.2.2 NEA氣體流量變化

從圖7可以看出,當增加惰化氣體的流量時,達到惰化要求所需要的時間逐漸減少,流量與惰化時間基本成反比關系。

圖8 當NEA氣體的射流率不同時體積置換與惰化率的關系Fig.8 V olumetric tankexchange versus tank inerting ratio for different injection rates

圖8是將圖7中結果轉化為無量綱參數而得,如圖8所示,當NEA氣體的射流率不同時,不同流量的體積置換與惰化率曲線基本重合。并且,CFD的結果與Burns的理想混合模型結果吻合較好。

從圖9中可以看出,當燃油箱的體積與NEA氣體的流量的比值相同時,氧氣濃度與時間的曲線基本重合,這說明,當NEA氣體流量與油箱體積以相同比值變化時,不會對惰化過程產生影響。

圖9 當 NEA氣體流量與燃油箱體積成比例變化時,油箱中氧氣濃度與時間的關系Fig.9 Tank oxygen concentration versus time when the volume and the flowrate is in proportion

3.3 容器體積及形狀對惰化過程的影響

3.3.1 燃油箱體積變化時

從圖10可以看出,增加油箱的體積,則達到惰化的時間越長。

圖10 當燃油箱的體積不同時,氧氣濃度的變化Fig.10 Variation of O2concentration for different tank volumes

3.3.2 燃油箱形狀變化時

如圖11所示,當燃油箱的形狀不同而總的體積保持不變的時候,氧氣濃度與時間的曲線基本重合,說明燃油箱不會對惰化過程產生影響。

圖11 當油箱的體積相同不同形狀時,惰化時間與氧氣濃度的關系Fig.11 Tank oxygen concentration versus time for different geometries of the tank

3.4 NEA氣體噴嘴的位置及直徑大小對惰化過程的

3.4.1 NEA氣體噴嘴位置

從圖12可以看出,當NEA氣體噴嘴的位置不同時,比如角落(left corner)、左邊(left middle)、中央(middle),氧氣濃度與時間的曲線基本重合,說明噴嘴位置不同基本不對惰化過程產生影響。

圖13為750s時,Z=0.5m的平面上氧氣濃度為15%和14.5%的等值線圖,從中可見,氧氣濃度的分布因為NEA氣體噴嘴的位置不同而不同。噴嘴在中央時,等值線圖分布在底部;噴嘴在左邊時,等值線圖在其流動方向的平行位置;而噴嘴在角落時,等值線圖分布不是很有規(guī)律。為了查看這三種情況的氧氣濃度均勻度,特引入方差系數 Cv:

圖12 NEA氣體噴嘴在不同位置時惰化時間與氧氣濃度的關系Fig.12 Tank oxygen concentration versus time at different locations of the nozzle

方差系數代表變量的離散程度,方差系數越小,則表明越均勻,用 Cv1,Cv2,Cv3分別代表角落,左邊,中央時氧氣濃度的方差系數,經過計算得到 Cv1=0.02,Cv2=0.0066,Cv3=0.0199,可以看出 ,當噴嘴在左邊的時候,氧氣濃度的分布比在中央和角落更均勻,而后面兩種情況的分布基本一致。

圖13 在750s時不同噴嘴位置時z=0.5m平面上氧氣濃度分布圖Fig.13 The O2distribution at the slicez=0.5mat 750s

3.4.2 NEA氣體直徑大小

由圖14可以看出,當NEA氣體噴嘴的直徑不一樣時,氧氣濃度與惰化時間并不重合。當NEA氣體噴嘴時0.01m時,惰化時間約為1890s,而當直徑為0.02m時,惰化時間約為2700s。.在理想混合模型(式10)中,并沒有包含噴嘴直徑這個參數,所以理想混合模型不能反映NEA氣體噴嘴直徑變化對惰化過程的影響。如圖14中,當直徑不同時,對于理想混合模型,氧氣濃度與時間僅為匯成一條直線。

圖14 當NEA氣體噴嘴不同時,氧氣濃度與惰化時間的關系圖Fig.14 Oxygen concentration with different inlet nozzle diameters

圖15為油箱y方向上不同截面的氧氣濃度隨時間的變化圖,從圖15可以看出,當 d=0.01m時,在油箱的y方向上的每一個間距為0.1m的面上,氧氣濃度分布較為均勻,基本不隨時間的變化而變化;而當 d=0.06m時,氧氣濃度在豎直面上的各個層上氧氣濃度隨時間變化較大,出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象,而在理想混合模型中假設每時每刻都是混合均勻的,顯然,這與實際情況不符。所以理想混合模型需要進一步修改才能與實際情況相符。

4 結論與討論

本文運用CFD方法,分析對惰化過程可能產生影響的參數。本文首先將CFD的模擬結果與文獻中的理想混合模型和經驗公式進行對比,發(fā)現(xiàn)CFD方法與其他模型及方法吻合很好,并分析了NEA氣體的流量,純度,燃油箱的體積和NEA氣體噴嘴的位置及直徑等參數對惰化過程的影響。結果發(fā)現(xiàn),增加NEA氣體的流量和純度能減少惰化時間;增加燃油箱的體積和NEA氣體的直徑則延長惰化時間;燃油箱的形狀,NEA氣體的噴嘴位置基本不對惰化過程產生影響,但影響其內部氧氣濃度的分布及均勻度。ENA氣體流量、純度和燃油箱的體積對惰化過程的影響均與文獻中的理想混合模型吻合的很好,但是該模型中并沒有包含直徑對惰化過程的影響,對于這個情況,需進行進一步的研究。

圖15 不同時刻在y方向上不同平面的氧氣濃度分布Fig.15 Oxygen concentration on y plane as time increases

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Numerical research on the parameters influencing the inerting process of aircraft fuel tank

HUANG Guang-rong1,HE Ya-ping2,NIU Yi1,WANGJian1

(1.State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei,Anhui,230026,China;2.School of Engineering,University of Western Sydney)

A single vented tank is used in CFD numerical simulations to study the factors that affect the inerting process.The considered factors include the flow rate,purity of the NEA,diameter of the nozzle,geometry of the tank,location of the nozzle and so on.The calculated tendency of the tank inerting ratio varying with the volumetric tank exchange agrees well with the empirical curve and the exact solutions by the other researchers.The inerting time would be decreased by increasing the flow rate and the purity of the NEA,or by decreasing the diameter of the nozzle and the volume of the tank.The geometry of the tank and the location of the nozzle have little influence on the inerting process,however,the distribution of the O2 concentration could be obviously affected by these factors.

Fuel tank;Aircraft;Inerting;NEA;CFD

O61

A

1004-5309(2011)-0117-08

2011-03-07;修改日期:2011-03-29

黃光容(1984.8-),女,碩士,研究方向為計算機數值模擬。

汪箭,教授,E-mail:wangj@ustc.edu.cn.

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