金峙良，卞朋交，周佐俊

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

通氣系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)燃油箱惰化系統(tǒng)的影響

金峙良，卞朋交，周佐俊

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

以直升機(jī)單個(gè)油箱為研究對(duì)象，建立數(shù)值仿真模型，研究了通氣系統(tǒng)對(duì)惰化系統(tǒng)的影響；得出了通氣管出口大氣壓變化、油箱內(nèi)液面下降、不同通氣管出口壓強(qiáng)存在壓力差三個(gè)因素單獨(dú)作用時(shí)，燃油箱氣相空間氧氣濃度隨時(shí)間變化關(guān)系；得到了為保持氣相空間氧氣濃度不大于9%，需通入惰性氣體的流量。結(jié)果顯示，三個(gè)因素是使氧氣濃度上升的主要因素，通氣管出口存在壓強(qiáng)差作用最明顯，通入惰性氣體能有效控制氧氣濃度上升。

惰化系統(tǒng)；通氣系統(tǒng)；氧氣濃度；數(shù)值仿真

0 引言

飛機(jī)燃油箱爆炸是造成空難的重要隱患之一。目前，抑制燃油箱爆炸的主要方法有向燃油箱填充網(wǎng)狀泡沫、氮?dú)?、海?301或安裝機(jī)載惰性氣體發(fā)生系統(tǒng)(OBIGGS)等。國(guó)內(nèi)外對(duì)惰化系統(tǒng)的研究主要集中在OBIGGS系統(tǒng)工作原理，單個(gè)油箱氣相空間氧氣的沖洗效率，燃油中溶解氧的洗滌過(guò)程等問(wèn)題上。對(duì)于飛行過(guò)程中其它子系統(tǒng)如通氣系統(tǒng)對(duì)燃油箱惰化系統(tǒng)影響的研究很少。燃油箱通氣系統(tǒng)用于在飛行器飛行包線內(nèi)保證燃油箱內(nèi)壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)一致，從而保證供油系統(tǒng)的正常工作。然而，燃油箱內(nèi)氣體與外界大氣的交換會(huì)造成外界氧氣進(jìn)入燃油箱內(nèi)，對(duì)燃油箱惰化系統(tǒng)工作產(chǎn)生不利影響。

本文通過(guò)對(duì)某典型直升機(jī)燃油箱子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，研究了飛行時(shí)通氣系統(tǒng)對(duì)惰化系統(tǒng)的影響，并在此基礎(chǔ)上研究了飛行器海拔變化造成的通氣管出口大氣壓強(qiáng)變化、油液液面下降、不同位置通氣管出口存在壓強(qiáng)差這3個(gè)因素單獨(dú)作用對(duì)惰化系統(tǒng)的影響，得到了燃油箱氣相空間氧濃度變化規(guī)律和實(shí)現(xiàn)抑爆所需求惰性氣體的流量。本文的研究結(jié)論可以指導(dǎo)燃油箱惰化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，數(shù)值計(jì)算分析方法可用于確定惰性氣體需求流量和燃油箱惰化系統(tǒng)布局，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)值計(jì)算方法

氣體在燃油箱中流動(dòng)，遵循流體流動(dòng)普遍適用的Navier-Stoked方程組：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。由于氮?dú)馀c空氣在燃油箱中擴(kuò)散與強(qiáng)烈混合，湍流模型采用了Ke-RNG模型，解算器采用非定常流，開(kāi)啟組分輸運(yùn)方程和能量方程。壓力-速度耦合方法為SIMPLE，采用一階迎風(fēng)格式。

1.1 控制方程[6]

基本控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

惰化過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，組分輸運(yùn)方程如下：

(6)

表1 參數(shù)定義

1.2 物理模型

以某型號(hào)運(yùn)輸直升機(jī)中組燃油箱中單個(gè)油箱為研究對(duì)象(如圖1)建立數(shù)值模型。模型由燃油箱和兩個(gè)通氣管組成，燃油箱體積為1.07755m3；惰性氣體入口在燃油箱一側(cè)，入口直徑為0.02m；燃油箱通過(guò)頂部?jī)蓚?cè)通氣管連通大氣，通氣管出口直徑為0.02m，長(zhǎng)度為1.1m。用Hypermesh劃分四面體網(wǎng)格如圖2。模型中直升機(jī)飛行狀態(tài)為極限狀態(tài)，海拔下降速度取為最大下降速度,約11.5m/s；在計(jì)算燃油液面下降時(shí)，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，燃油液面下降速度比正常使用時(shí)快很多，用時(shí)500s使燃油液面從惰性氣體入口位置處下降到油箱底部；通氣管出口壓力為續(xù)航速度狀態(tài)時(shí)蒙皮處的靜壓值。

為便于分析計(jì)算結(jié)果，引入無(wú)量綱參數(shù)惰性氣體體積置換速率E(后文簡(jiǎn)稱(chēng)為體積置換率)，定義為惰性氣體入口體積流量與燃油箱體積之比[6]。

圖1 燃油箱示意圖

圖2 燃油箱網(wǎng)格劃分圖

1.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

由于數(shù)值計(jì)算模型采用非定常流，需要驗(yàn)證時(shí)間無(wú)關(guān)性和幾何無(wú)關(guān)性[4,6]。首先理論計(jì)算了燃油箱從海拔6000m下降到不同海拔高度時(shí)燃油箱中O2的平均濃度(如表2);然后，設(shè)置4組計(jì)算模型(如表3)，計(jì)算了在相同過(guò)程中，使用不同時(shí)間步長(zhǎng)和網(wǎng)格大小時(shí)，燃油箱中O2平均體積濃度的變化過(guò)程。整個(gè)過(guò)程燃油箱內(nèi)沒(méi)有燃油，初始時(shí)刻O(píng)2濃度為9%，整個(gè)過(guò)程未輸入惰性氣體。

首先理論計(jì)算：

完全氣體狀態(tài)方程：

(7)

8312J/kg-mol·K，V燃油箱=1.07755m3，代入氣體狀態(tài)方程得：

(8)

(9)

其中，ρ6000米海拔為外界空氣進(jìn)入燃油箱之前燃油箱內(nèi)的氣體密度，此時(shí)燃油箱內(nèi)氣體質(zhì)量為：

(10)

再計(jì)算0 m海拔高度時(shí)原燃油箱中氣體的體積V2，此時(shí)大氣壓力為101325Pa，溫度為288K，代入氣體狀態(tài)方程得：

(11)

(12)

(13)

(14)

則0 m海拔時(shí)燃油箱中O2濃度為：

(15)

同方法計(jì)算得出不同高度下燃油箱中O2平均體積濃度如表2。

表2 下降過(guò)程中不同高度時(shí)O2濃度

圖3顯示了理論計(jì)算結(jié)果和4組數(shù)值計(jì)算模型燃油箱內(nèi)O2體積濃度隨時(shí)間變化的情況，理論模型與計(jì)算模型不同高度平均誤差如表3。

表3 四組驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型

可見(jiàn)，計(jì)算模型均與理論值相差不大，其中采用大網(wǎng)格的計(jì)算精度最差，采用小網(wǎng)格的計(jì)算模型誤差均小于1%。綜合考慮計(jì)算時(shí)間和精度 ，采用時(shí)間步長(zhǎng)為0.05s和最大網(wǎng)格尺寸為30mm作為計(jì)算使用模型。

圖3 不同高度O2濃度變化情況

2 通氣系統(tǒng)對(duì)燃油箱惰化的影響

2.1 飛行仿真計(jì)算

圖4顯示了直升機(jī)飛行海拔從6000m下降到0m并持續(xù)消耗燃油箱中燃油時(shí)燃油箱氣相空間O2平均濃度隨時(shí)間的變化曲線。初始時(shí)刻燃油箱中O2平均濃度為9%。從圖可以看出，在不持續(xù)通入惰性氣體時(shí)，整個(gè)飛行過(guò)程中燃油箱中O2平均濃度迅速上升，并在約250s時(shí)達(dá)到了外界大氣O2平均濃度，約為21%。分析可知，飛行過(guò)程中，飛行海拔下降導(dǎo)致的外界大氣壓強(qiáng)上升，燃油液面下降，不同通氣管出口存在壓強(qiáng)差等，均能導(dǎo)致外界O2平均進(jìn)入燃油箱。從圖還可以看出，在不通入惰性氣體時(shí)，3種因素單獨(dú)作用時(shí)，燃油箱中O2平均濃度迅速上升。這證明了3種因素是造成O2平均濃度上升的重要因素。為抑制O2平均濃度迅速上升，整個(gè)飛行過(guò)程中需持續(xù)通入惰性氣體，當(dāng)體積置換率為 0.0043 s-1時(shí)，可顯著抑制O2平均濃度的上升。

圖4 O2濃度隨時(shí)間變化

2.2 海拔高度變化對(duì)惰化系統(tǒng)的影響

為保證燃油系統(tǒng)正常為發(fā)動(dòng)機(jī)供油，通氣系統(tǒng)在直升機(jī)飛行包線內(nèi)必須保證燃油箱內(nèi)氣體壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)相等。當(dāng)直升機(jī)飛行高度變化時(shí)，外界大氣壓強(qiáng)變化，空氣通過(guò)通氣管進(jìn)入燃油箱，造成燃油箱內(nèi)部O2濃度升高，燃油箱內(nèi)部壓強(qiáng)同時(shí)變化。如表4計(jì)算了5組模型，分別為由0 m海拔爬升至6000 m海拔，由6000 m海拔下降到0 m海拔并通入不同流量惰性氣體，水平飛行。模型不考慮直升機(jī)通氣管入口處壓強(qiáng)差，保證兩個(gè)通氣口壓強(qiáng)時(shí)刻相等，爬升或下降速度為11.5m/s，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)約520 s。初始時(shí)刻燃油箱內(nèi)O2濃度為9%，內(nèi)部空間全為氣體。

圖5為O2平均濃度隨時(shí)間的變化曲線。由圖5可以看出，直升機(jī)在爬升和平飛過(guò)程中，燃油箱中O2平均濃度基本維持在初始值9%左右。這是由于外界大氣壓下降或者維持不變，外界空氣基本無(wú)法進(jìn)入燃油箱內(nèi)。在下降過(guò)程中，O2含量逐漸上升，在到達(dá)0 m海拔時(shí)達(dá)到最大值0.1467。當(dāng)下降過(guò)程中同時(shí)通入惰性氣體，O2濃度上升的趨勢(shì)得到抑制，當(dāng)體積置換率大于0.0011 s-1時(shí)，O2平均濃度基本維持在9%以下。圖6為沿通氣管入口位置的燃油箱橫截面O2濃度分布云圖?？梢钥闯?，燃油箱中絕大部分空間O2濃度在9%，但是在通氣管入口處O2濃度達(dá)到約14%，通氣管中O2濃度為21%。

表4 不同飛行狀態(tài)

圖5 O2濃度隨時(shí)間變化

圖6 E=0.0011s-1，T=250s時(shí)刻燃油箱O2濃度分布

2.3 液面下降對(duì)惰化系統(tǒng)影響

飛行過(guò)程中燃油箱內(nèi)燃油逐漸減小，氣相空間逐漸增大，為保證燃油箱內(nèi)壓強(qiáng)與外界相同，外界空氣會(huì)由通氣管進(jìn)入燃油箱，造成O2含量增大。設(shè)初始液面高度0.37m，液面下降速度為0.00074m/s，液面下降至油箱底部用時(shí)500s，新增氣相空間體積為0.68522m3。如表5，根據(jù)通入惰性氣體流量的不同，模型分為3組。

表5 不同惰性氣體通入量

圖7顯示了不同惰性氣體通入量時(shí)，燃油箱中O2濃度不同時(shí)刻的平均體積濃度。可以看出，在不通入惰性氣體時(shí)，O2濃度逐漸升高至16%以上。通入惰性氣體有效抑制了O2濃度的升高，在體積置換率大于0.0008 s-1時(shí)，O2濃度約維持在初始時(shí)刻的9%；在體積置換率為約0.0015 s-1時(shí)，O2濃度迅速下降。由圖8可以看出，在液面下降過(guò)程中，通入惰性氣體后，燃油箱大部分空間O2濃度約為9%，而通氣管入口處O2濃度達(dá)到了約14%。

圖7 O2濃度隨時(shí)間變化

圖8 E=0.0008s-1，T=250s時(shí)刻燃油箱O2濃度分布

2.4 通氣管出口壓強(qiáng)差影響

燃油箱通氣系統(tǒng)一般會(huì)有多個(gè)通氣管，直升機(jī)飛行時(shí)，由于通氣管出口位置分布于機(jī)身蒙皮不同部位，所以通氣管出口處?kù)o壓不相同，通氣管出口的壓強(qiáng)差會(huì)導(dǎo)致外界氣體進(jìn)入燃油箱。通氣管出口處設(shè)為壓力出口邊界條件，參考某型機(jī)正常平飛速度為0.28Ma時(shí)的蒙皮處?kù)o壓分布，靠近惰性氣體入口一側(cè)的通氣管入口1絕對(duì)壓強(qiáng)設(shè)為101028Pa，通氣管入口2絕對(duì)壓強(qiáng)設(shè)為100429Pa。先預(yù)迭代50timesetp，得到油箱內(nèi)部壓強(qiáng)為100759Pa，初始化油箱內(nèi)壓強(qiáng)為100759Pa，O2濃度為9%。模型分為4組，通入惰性氣體通入速度分別為0m/s、8m/s、12m/s、23m/s，如表6。

表6 不同惰性氣體通入量

圖9為O2平均濃度隨時(shí)間的變化曲線。由圖9可以看出，在未通入惰性氣體時(shí)，燃油箱中O2平均濃度很快超過(guò)9%并逐漸升高，在500s以后超過(guò)了18%。在通入惰性氣體后，惰性氣體抑制了O2濃度的上升，在通入速度為8m/s時(shí)，O2平均體積濃度基本保持在初始值9%。在通入速度超過(guò)8m/s時(shí)，O2平均體積濃度持續(xù)下降。由圖10可以看出，燃油箱中大部分O2濃度約為9%，在壓強(qiáng)大的一側(cè)通氣管入口處O2濃度達(dá)到14%。

圖9 O2濃度隨時(shí)間變化

圖11顯示了以上3種因素影響下，為使燃油箱中O2濃度維持在9%左右，通入惰性氣體的體積置換率。從圖可以看出，為防止O2平均濃度升高，體積置換率均需大于0.0008s-1。其中為抵消通氣管出口壓強(qiáng)差造成的影響，需要的惰性氣體體積置換率最大。通氣管出口壓強(qiáng)差是影響惰化系統(tǒng)效果的最主要因素。

進(jìn)一步分析可知，3種因素單獨(dú)作用時(shí)，為保證O2濃度不上升的惰性氣體體積置換率之和約為0.0043 s-1。 圖4顯示3種因素共同作用時(shí)，通入與3個(gè)因素單獨(dú)作用時(shí)所需流量總和相等流量的惰性氣體即能維持O2平均濃度不顯著上升。由此可見(jiàn)，海拔變化造成的通氣管出口大氣壓變化、油箱內(nèi)液面下降、不同通氣管出口壓強(qiáng)存在壓力差等3個(gè)因素對(duì)惰化系統(tǒng)的影響，可以單獨(dú)考慮。

圖10 E=0.0023s-1，T=250s時(shí)刻燃油箱O2濃度分布

圖11 惰性氣體體積置換率

3 結(jié) 論

本文采用的燃油箱惰化數(shù)值仿真計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果一致，可以應(yīng)用于燃油箱惰化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中。仿真計(jì)算了飛行時(shí)O2平均體積濃度的變化規(guī)律，并分別計(jì)算了高度下降、燃油消耗、通氣管出口存在壓力差3個(gè)因素單獨(dú)作用時(shí)，燃油箱中O2平均體積濃度的變化情況，給出典型時(shí)刻截面O2平均體積濃度分布云圖。并探索了為抑制O2平均體積濃度升高，需要通入惰性氣體的流量。具體結(jié)論如下：

1) 燃油箱惰化系統(tǒng)工作效率會(huì)受到其它子系統(tǒng)的影響。

2) 直升機(jī)海拔下降、燃油油液消耗、通氣管出口存在壓強(qiáng)差，會(huì)造成外界空氣進(jìn)入燃油箱，使油箱內(nèi)部O2含量升高，其中通氣管出口存在壓強(qiáng)差是導(dǎo)致O2濃度升高的最主要因素。

3) 當(dāng)海拔下降、燃油油液消耗、通氣管存在壓強(qiáng)差三個(gè)因素同時(shí)發(fā)生時(shí)，通入惰性氣體體積置換率略大于三個(gè)因素單獨(dú)發(fā)生所需的置換率之和，就可抑制O2平均體積濃度顯著上升。

4) 根據(jù)燃油箱截面氧氣濃度云圖，可以驗(yàn)證惰性氣體進(jìn)氣口位置設(shè)置的合理性，避免油箱中局部O2濃度過(guò)高。

本文未考慮燃油箱實(shí)際使用中燃油中溶解O2的溢出[10,11]；也未考慮安裝多個(gè)燃油箱時(shí)通氣系統(tǒng)對(duì)惰化系統(tǒng)的影響，因此在后續(xù)工作中將對(duì)此開(kāi)展進(jìn)一步研究。

[1] 劉夙春，邱獻(xiàn)雙. 一種新型的飛機(jī)油箱催化惰化系統(tǒng)[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2014.

[2] 黃光榮. 燃油箱惰化系統(tǒng)數(shù)值研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[3] 肖再華. 飛機(jī)燃油箱惰化[J]. 北京：航空科學(xué)技術(shù)，2005.

[4] 張聲奇，王學(xué)德，等. 民用燃油箱惰化流場(chǎng)的數(shù)值仿真及其特性分析[J]. 航空計(jì)算技術(shù).

[5] 杜龍勛，薛 艷，朱志謙，等. 航空燃料防火技術(shù)研究進(jìn)展[C]. 2012年中國(guó)阻燃學(xué)術(shù)年會(huì)論文，2012.

[6] 黃光榮，何亞平，等. 影響飛機(jī)燃油箱惰化系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)值研究[J]. 火災(zāi)科學(xué)，2011.

[7] 邵 箭，朱承斌. 飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，vol 1[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，1996.

[8] Morris R W, Jr, Miller J. Fuel Deoxygenation and Aircraft Thermal Management[V]. 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit, 2006.

[9] Castellano P. Fuel Tank Inerting Team Leads the Way to Improved Safety[J]. Intercom, 2004.

[10] 高秀峰，劉衛(wèi)華，雄 斌，等. 飛機(jī)燃油箱沖洗惰化過(guò)程的理論研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44 (09).

[11] 馮詩(shī)愚，劉衛(wèi)華，黃 龍，等. 飛機(jī)燃油箱氣相空間平衡氧濃度理論研究[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43(4).

Study on the Influences of Venting System to Inerting System

JIN Zhiliang，BIAN Pengjiao，ZHOU Zuojun

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Based on a single fuel tank in helicopter ,a numerical simulation model was set up to study the influences of venting system to inerting system. The simulation was performed with either pressure changing on the outlet of venting pipes, liquid level declining, or different pressure on different outlet of venting pipes. The result give out curve on oxygen volume fraction versus time and inerting flow requirements in order to keep oxygen volume fraction below 9%. It conclude that all the 3 factors can cause oxygen volume fraction in fuel tank increasing and the factor that there is difference in outlet pressure between different venting pipes can cause remarkable influence. In additional, Inerting flow can restrain oxygen volume from increasing.

Inerting System; Venting System; Oxygen Volume Fraction; Numerical Simulation

2015-11-30 作者簡(jiǎn)介：金峙良(1986-)，男，江蘇南京人，碩士，助理工程師，主要研究方向： 直升機(jī)燃油系統(tǒng)。

1673-1220(2016)02-026-06

V228.1+1

A