基于CFD的飛機(jī)機(jī)載滅火系統(tǒng)性能仿真

梁文劍 閆偉偉 孔雪 黃小彬

摘要：飛機(jī)機(jī)載滅火系統(tǒng)性能仿真可有效提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的效率，減少研制過程的反復(fù)。本文分析飛機(jī)機(jī)載高速滅火系統(tǒng)性能需求，提出管網(wǎng)計(jì)算結(jié)合CFD分析的思路。以某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙滅火系統(tǒng)為例，將飛機(jī)機(jī)載高速滅火系統(tǒng)劃分為管網(wǎng)系統(tǒng)及噴射系統(tǒng)兩個(gè)部分，采用工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合CFD仿真技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真分析研究。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)比，仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，可有效支持飛機(jī)機(jī)載滅火系統(tǒng)的研制。

關(guān)鍵詞：機(jī)載高速滅火系統(tǒng); CFD分析; 滅火管網(wǎng); 滅火劑濃度

1 ? 引言

飛機(jī)在飛行中出現(xiàn)火災(zāi)會(huì)嚴(yán)重危害到飛行安全，一旦火災(zāi)失控勢(shì)必造成機(jī)毀人亡的重大事故?，F(xiàn)代飛機(jī)對(duì)安全性提出了很高的要求，無論從適航要求還是相關(guān)頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)飛機(jī)機(jī)載滅火系統(tǒng)都有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。機(jī)載滅火系統(tǒng)作為飛機(jī)著火后的最后一道安全保障，需要快速有效滅火將危害控制到最小[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外飛機(jī)機(jī)載滅火系統(tǒng)一般采用鹵代烷氣體滅火系統(tǒng)，其中應(yīng)用最廣泛的是halon1301固定式滅火系統(tǒng)。為了有效撲滅機(jī)上火災(zāi)，要求滅火系統(tǒng)在啟動(dòng)后能夠快速噴射滅火劑，迅速達(dá)到滅火濃度并保持一定的持續(xù)時(shí)間，達(dá)到滅火效果 [2]。

目前飛機(jī)機(jī)載滅火系統(tǒng)研制的方案階段一般參考設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)采用保守設(shè)計(jì)的方式確定主要設(shè)計(jì)參數(shù)。在研制過程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。這種方式導(dǎo)致系統(tǒng)研制周期過長(zhǎng)，系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)比較保守，系統(tǒng)重量代價(jià)大。

由于機(jī)載高速滅火系統(tǒng)的滅火劑噴射是一個(gè)復(fù)雜的多相流過程，在工程實(shí)踐中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，計(jì)算分析系統(tǒng)各主要零部件的性能具有較大的難度。

2 ? 機(jī)載滅火系統(tǒng)簡(jiǎn)介

飛機(jī)機(jī)載高速滅火系統(tǒng)一般包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙滅火系統(tǒng)、輔助動(dòng)力裝置艙滅火系統(tǒng)、行李艙滅火系統(tǒng)等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要保證高可靠性、高效性、低重量成本。系統(tǒng)一般采用分布式布局，根據(jù)功能需求設(shè)置成多個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，并對(duì)關(guān)鍵部件采用適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計(jì)。

從系統(tǒng)組成來看，機(jī)載滅火系統(tǒng)一般包括：高壓滅火器、釋放機(jī)構(gòu)、流向閥、輸送管路、噴嘴等。[3]

3 ? 總體思路

機(jī)載高速滅火系統(tǒng)每次滅火均為一個(gè)滅火瓶向一個(gè)單獨(dú)的失火區(qū)域進(jìn)行噴射。從性能分析的角度，可對(duì)各獨(dú)立小系統(tǒng)分別建模進(jìn)行計(jì)算分析?？己藴缁鹣到y(tǒng)性能的最終指標(biāo)是噴射滅火劑時(shí)相應(yīng)失火區(qū)域內(nèi)的滅火劑濃度場(chǎng)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定滅火系統(tǒng)噴射后滅火區(qū)域內(nèi)的滅火劑體積濃度應(yīng)達(dá)到6%并持續(xù)0.5秒以上。

滅火系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，滅火劑在滅火瓶劑管網(wǎng)系統(tǒng)中屬于氣液兩項(xiàng)的劇烈變化過程。滅火劑從噴嘴噴射進(jìn)入火區(qū)后，絕大部分滅火劑完成氣化，此時(shí)主要運(yùn)動(dòng)為滅火劑在空氣中的擴(kuò)散和摻混。由于滅火劑在管網(wǎng)中的高速流動(dòng)和相變過程不易進(jìn)行CFD建模仿真。本文計(jì)算滅火劑系統(tǒng)性能的方案是，將滅火系統(tǒng)性能計(jì)算分為兩個(gè)部分分別進(jìn)行：管網(wǎng)性能計(jì)算和滅火劑擴(kuò)散濃度場(chǎng)計(jì)算。通過工程經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算滅火劑管網(wǎng)的壓力和流量，作為滅火劑濃度場(chǎng)計(jì)算的輸入，采用CFD方法對(duì)火區(qū)內(nèi)滅火劑濃度場(chǎng)進(jìn)行仿真。

管網(wǎng)性能計(jì)算部分采用鹵代烷1301滅火系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，以中期壓力作為計(jì)算點(diǎn)，建立滅火系統(tǒng)管網(wǎng)性能計(jì)算模型，求解出管網(wǎng)系統(tǒng)中相關(guān)節(jié)點(diǎn)的滅火劑壓力、流量等，分析計(jì)算結(jié)果并調(diào)整管網(wǎng)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。滅火劑濃度場(chǎng)CFD仿真分析以管網(wǎng)性能數(shù)值計(jì)算結(jié)果作為輸入，對(duì)滅火劑噴射后火區(qū)內(nèi)的滅火劑濃度場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行仿真，分析滅火效果得到滅火系統(tǒng)性能特性。

4 ? 性能計(jì)算

4.1 ?管網(wǎng)計(jì)算

滅火管網(wǎng)中期狀態(tài)算法是一個(gè)設(shè)計(jì)算法，基本原理是：以估算的中期壓力作為計(jì)算點(diǎn)，建立滅火系統(tǒng)管網(wǎng)模型，設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)將管網(wǎng)劃分為多個(gè)管段，以滅火瓶為起點(diǎn)，逐點(diǎn)求解各節(jié)點(diǎn)壓力，得到噴嘴壓力。算法的關(guān)鍵是通過中期管網(wǎng)滅火劑百分比校核計(jì)算精度，通過噴嘴前壓力和中期容器壓力控制設(shè)計(jì)優(yōu)化方向。

分析該計(jì)算過程，管網(wǎng)的流量、管徑、壓力3個(gè)變量相互關(guān)聯(lián)，根據(jù)管網(wǎng)設(shè)計(jì)目標(biāo)流量可以得到設(shè)計(jì)管徑，因此根據(jù)已知的管網(wǎng)系統(tǒng)，可以采用類似的計(jì)算方法計(jì)算出管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力和流量，從而得到準(zhǔn)確的管網(wǎng)系統(tǒng)流量即各噴嘴的噴射速率。

滅火系統(tǒng)管網(wǎng)性能計(jì)算的管徑設(shè)計(jì)算法計(jì)算步驟如下，計(jì)算流程圖見圖2所示。初始流量根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，為了提高計(jì)算效率，按公式（2）進(jìn)行管徑的初始化[4][5]。

4.2 ?滅火劑濃度仿真

滅火劑在火區(qū)內(nèi)的濃度場(chǎng)采用流體計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行模擬。首先構(gòu)建滅火區(qū)域的幾何模型，并對(duì)火區(qū)內(nèi)的設(shè)備及結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略次要小零部件。網(wǎng)格劃分一般采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后將網(wǎng)格文件輸入Fluent中，設(shè)置湍流模型、物質(zhì)輸運(yùn)模型、離散相模型等。設(shè)置滅火劑液滴材料、滅火劑氣態(tài)材料、混合物材料以及滅火噴嘴模型等。噴射采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)一般不大于0.1s。

根據(jù)滅火噴嘴的噴孔技術(shù)參數(shù)、噴嘴布置以及在管網(wǎng)計(jì)算中得出的噴嘴壓力、流量，設(shè)置滅火劑濃度場(chǎng)模擬分析模型。觀察滅火劑從滅火噴嘴噴出后火區(qū)內(nèi)滅火劑濃度場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況，判斷滅火劑濃度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，分析滅火劑的濃度分布，給出噴嘴布置優(yōu)化的建議。

以某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙滅火系統(tǒng)為例，建立仿真計(jì)算幾何模型、網(wǎng)格模型見圖3所示。

根據(jù)滅火劑濃度場(chǎng)分析模擬結(jié)果，分析滅火劑噴射后火區(qū)內(nèi)滅火劑濃度場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況。圖4示出算例中滅火劑噴射后第1秒和第5秒時(shí)火區(qū)內(nèi)的滅火劑濃度分布情況。從圖中可以看出，噴射滅火劑后，滅火噴嘴周圍的滅火劑濃度開始迅速上升，到第5秒，整個(gè)火區(qū)都充滿了滅火劑，滅火劑濃度均達(dá)到6%體積濃度要求。

5 ? 試驗(yàn)對(duì)比

在試驗(yàn)室簡(jiǎn)歷全尺寸試驗(yàn)臺(tái)，采用真實(shí)的機(jī)載滅火系統(tǒng)試驗(yàn)件，1：1火區(qū)實(shí)驗(yàn)艙模型，并對(duì)飛機(jī)巡航過程中火區(qū)內(nèi)的通風(fēng)氣流進(jìn)行模擬。在火區(qū)內(nèi)設(shè)置多個(gè)滅火劑濃度測(cè)量點(diǎn)，監(jiān)測(cè)火區(qū)內(nèi)各部位滅火劑濃度的變化情況，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，滅火劑開始噴射后4～6秒，火區(qū)內(nèi)滅火劑迅速上升并達(dá)到峰值濃度，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部超過10%體積濃度，之后滅火劑濃度緩慢下降。6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滅火劑濃度變化情況見圖5所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，滅火劑噴射后5秒左右，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的滅火劑濃度達(dá)到峰值，最高約16%，稍高于試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，見圖6所示。綜合試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)量設(shè)備的誤差，試驗(yàn)實(shí)測(cè)滅火劑濃度場(chǎng)與仿真計(jì)算結(jié)果基本相符。

6 ? 結(jié)語

本文以某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙固定式滅火系統(tǒng)為例，通過工程經(jīng)驗(yàn)算法結(jié)合CFD技術(shù)，分別對(duì)機(jī)載滅火系統(tǒng)管網(wǎng)及火區(qū)滅火劑濃度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)情況符合性較好，可以用于支持飛機(jī)機(jī)載高速滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介：

梁文劍，（1984.5-），男，布依族，貴州省貞豐縣，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，研究方向或從事工作：飛機(jī)防滅火設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] ? 王 ?偉，王 ?喆.固定式氣體滅火系統(tǒng)安全問題分析與對(duì)策[J].科技信息，2007，（30）：344-345.

[2] ? 飛機(jī)防火滅火系統(tǒng)通用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)：HB7253-1995[S].中國(guó)航空工業(yè)總公司，1995.

[3] ? 陳嵩祿等.《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第13分冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006：435-473.

[4] ? GB 50163-92《鹵代烷1301 滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].中華人民共和國(guó)公安部，1992.

[5] ? 公安部天津消防科研所.Y2系列鹵代烷固定滅火系統(tǒng)[Z].