貨艙煙霧探測最嚴(yán)酷火源位置數(shù)值模擬研究

程書山

【摘 要】本文基于火災(zāi)動力學(xué)模擬器FDS，對民用客機(jī)貨艙行李著火時煙霧傳播和貨艙煙霧探測系統(tǒng)的性能進(jìn)行了模擬。對某型飛機(jī)貨艙的39個火源位置的煙霧傳播和探測系統(tǒng)的性能就行了數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，貨艙最嚴(yán)苛的火源位置位于后壁板附近且靠近通風(fēng)出口。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；貨艙；煙霧探測

【Abstract】The fire dynamics simulator FDS was employed to simulate the smoke translation and smoke detection performance in passenger aircraft cargo compartment. Aircraft cargo compartment smoke translation and smoke detection performance is simulated in 39 different fire source location. The critical fire location is beside the back wall and close to the vent exit.

【Key words】Civil Aircraft； Cargo Compartment； Smoke Detection

1 研究目的

貨艙著火是民用客機(jī)安全的一個很嚴(yán)重的威脅。民用客機(jī)貨艙一般都為C級貨艙，位于客艙的下面，飛行中乘務(wù)員無法到達(dá)，貨艙著火時也無法直接目視觀察到。對于C級貨艙，CCAR 25.858要求貨艙探測系統(tǒng)必須在起火后一分鐘內(nèi)，向飛行機(jī)組給出目視指示。

為了證明貨艙煙霧探測系統(tǒng)的性能滿足適航條款要求，目前都是通過地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)在貨艙中放置煙霧發(fā)生器模擬貨艙起火。但是地面和飛行試驗(yàn)花費(fèi)較大且所需時間較長。隨著計算流體動力學(xué)（CFD）的發(fā)展和計算機(jī)硬件能力的提高，使用CFD技術(shù)模擬貨艙中的火災(zāi)和煙霧探測系統(tǒng)的性能成為可能。利用CFD技術(shù)對貨艙煙霧傳播和煙霧探測性能進(jìn)行模擬可以方便的模擬不同場景時煙霧的傳播，通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析獲得煙霧傳播的規(guī)律，可以找出最嚴(yán)苛的煙霧發(fā)生位置，為試驗(yàn)時煙霧發(fā)生器位置選擇提高參考[1-3]。

2 研究方法

本文利用美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology（NIST））的火動力學(xué)模擬器FDS（Fire Dynamics Simulator）模擬貨艙煙霧傳播和煙霧探測器對煙霧的響應(yīng)，對某型飛機(jī)前貨艙煙霧傳播和煙霧探測器響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

FDS軟件采用數(shù)值方法求解受熱源驅(qū)動低馬赫數(shù)流動的N-S方程（Navier-Stokes Equations），重點(diǎn)計算火源造成的的煙霧和熱量傳播[4]。FDS數(shù)值求解受熱源驅(qū)動下低速流動（馬赫數(shù)小于0.3）的N-S方程，其核心算法為二階顯式預(yù)估校正格式。FDS采用大渦模擬（LES，Large Eddy Simulation）模擬湍流流動，在足夠細(xì)的網(wǎng)格下能實(shí)施直接數(shù)值模擬（DNS， Direct Numerical Simulation）。對于燃燒的模擬，F(xiàn)DS采用基于單步化學(xué)反應(yīng)的混合分?jǐn)?shù)模型模擬燃燒。

3 某型飛機(jī)貨艙煙霧探測性能模擬

某型飛機(jī)貨艙的尺寸為長X.XX米、寬X.XX米、高X.XX米，在貨艙壁上布置有通風(fēng)口，通風(fēng)量XXL/S。前貨艙進(jìn)氣口位于前貨艙前壁板前側(cè)，排氣口位于前貨艙后部的右側(cè)壁板。在貨艙頂部板，沿中心線左右均勻布置四個模擬煙霧探測器，當(dāng)至少兩個煙霧探測器觸發(fā)時系統(tǒng)會發(fā)出貨艙煙霧告警。如圖1所示。

本文共選取了39個火源點(diǎn)分別進(jìn)行模擬，所有火源點(diǎn)位于貨艙底部，從左到右共3排，每排13個點(diǎn)，從前到后依次編號1～13。如下圖所示：

圖3為左側(cè)13個火源點(diǎn)告警時間。圖4為中間13個火源點(diǎn)告警時間。圖5為右側(cè)13個火源點(diǎn)告警時間。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，對于39個不同的火源位置，貨艙煙霧探測系統(tǒng)都可以在著火后一分鐘內(nèi)發(fā)出告警。當(dāng)火源位于右側(cè)的第13號位置時，煙霧探測系統(tǒng)的響應(yīng)時間最長（46.1秒），該處為最嚴(yán)苛的火源位置。對此時的煙霧傳播和氣流流場分析發(fā)現(xiàn)，由于通風(fēng)出口位于后面?zhèn)缺谏?，火源距離通風(fēng)最近，該處煙霧很容易受出口氣流影響，被氣流帶走，因而不易達(dá)到告警濃度，故該火源位置為最嚴(yán)苛位置，如圖6所示（圖中右側(cè)色帶為溫度（℃））。

4 結(jié)論

本文利用FDS軟件對貨艙內(nèi)煙霧傳播和探測系統(tǒng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果顯示，對于不同的火源位置，貨艙煙霧探測系統(tǒng)都可以在著火后一分鐘內(nèi)發(fā)出告警。當(dāng)火源位于右側(cè)的第13號位置時，煙霧探測系統(tǒng)的響應(yīng)時間最長（46.1秒），該處為最嚴(yán)苛的火源位置。數(shù)模模擬方法可以有效預(yù)測貨艙內(nèi)的煙霧傳播；利用該方法對評估煙霧探測系統(tǒng)性能有一定的應(yīng)用意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]David Blake. Development of a Standardized Fire Source for Aircraft Cargo Compartment Fire Detection Systems. DOT/FAA/AR-06/21.Atlantic City： Federal Aviation Administration William J. Hughes Technical Center，2006.

[2]Ramon Papa. CFD analysis of smoke transport inside an aircraft cargo compartment[J].J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. （2016） 38：327-334.

[3]Ezgi ztekin.Smoke transport in a cargo compartment[R].Koeln，Germany：International Aircraft Systems Fire Protection Working Group，2011.

[4]Fire Dynamics Simulator （Version 5） Users Guide[K].National Institute of Standards and Technology， 2010.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]