通氣系統(tǒng)對直升機燃油箱惰化系統(tǒng)的影響

金峙良，卞朋交，周佐俊

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

通氣系統(tǒng)對直升機燃油箱惰化系統(tǒng)的影響

金峙良，卞朋交，周佐俊

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

以直升機單個油箱為研究對象，建立數(shù)值仿真模型，研究了通氣系統(tǒng)對惰化系統(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存在壓力差三個因素單獨作用時，燃油箱氣相空間氧氣濃度隨時間變化關(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，三個因素是使氧氣濃度上升的主要因素，通氣管出口存在壓強差作用最明顯，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、氮氣、海倫1301或安裝機載惰性氣體發(fā)生系統(tǒng)(OBIGGS)等。國內(nèi)外對惰化系統(tǒng)的研究主要集中在OBIGGS系統(tǒng)工作原理，單個油箱氣相空間氧氣的沖洗效率，燃油中溶解氧的洗滌過程等問題上。對于飛行過程中其它子系統(tǒng)如通氣系統(tǒng)對燃油箱惰化系統(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)壓強與外界大氣壓強一致，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造成外界氧氣進入燃油箱內(nèi)，對燃油箱惰化系統(tǒng)工作產(chǎn)生不利影響。

本文通過對某典型直升機燃油箱子系統(tǒng)進行數(shù)值仿真分析，研究了飛行時通氣系統(tǒng)對惰化系統(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變化、油液液面下降、不同位置通氣管出口存在壓強差這3個因素單獨作用對惰化系統(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，數(shù)值計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，具有較強的工程應(yīng)用價值。

1 數(shù)值計算方法

氣體在燃油箱中流動，遵循流體流動普遍適用的Navier-Stoked方程組：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。由于氮氣與空氣在燃油箱中擴散與強烈混合，湍流模型采用了Ke-RNG模型，解算器采用非定常流，開啟組分輸運方程和能量方程。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)

動量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

惰化過程中沒有化學(xué)反應(yīng)，組分輸運方程如下：

(6)

表1 參數(shù)定義

1.2 物理模型

以某型號運輸直升機中組燃油箱中單個油箱為研究對象(如圖1)建立數(shù)值模型。模型由燃油箱和兩個通氣管組成，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；燃油箱通過頂部兩側(cè)通氣管連通大氣，通氣管出口直徑為0.02m，長度為1.1m。用Hypermesh劃分四面體網(wǎng)格如圖2。模型中直升機飛行狀態(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；在計算燃油液面下降時，為節(jié)省計算時間，燃油液面下降速度比正常使用時快很多，用時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)時蒙皮處的靜壓值。

為便于分析計算結(jié)果，引入無量綱參數(shù)惰性氣體體積置換速率E(后文簡稱為體積置換率)，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)值模型驗證

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

首先理論計算：

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入燃油箱之前燃油箱內(nèi)的氣體密度，此時燃油箱內(nèi)氣體質(zhì)量為：

(10)

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

(11)

(12)

(13)

(14)

則0 m海拔時燃油箱中O2濃度為：

(15)

同方法計算得出不同高度下燃油箱中O2平均體積濃度如表2。

表2 下降過程中不同高度時O2濃度

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

表3 四組驗證數(shù)值計算模型

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

圖3 不同高度O2濃度變化情況

2 通氣系統(tǒng)對燃油箱惰化的影響

2.1 飛行仿真計算

圖4顯示了直升機飛行海拔從6000m下降到0m并持續(xù)消耗燃油箱中燃油時燃油箱氣相空間O2平均濃度隨時間的變化曲線。初始時刻燃油箱中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，整個飛行過程中燃油箱中O2平均濃度迅速上升，并在約250s時達到了外界大氣O2平均濃度，約為21%。分析可知，飛行過程中，飛行海拔下降導(dǎo)致的外界大氣壓強上升，燃油液面下降，不同通氣管出口存在壓強差等，均能導(dǎo)致外界O2平均進入燃油箱。從圖還可以看出，在不通入惰性氣體時，3種因素單獨作用時，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，整個飛行過程中需持續(xù)通入惰性氣體，當(dāng)體積置換率為 0.0043 s-1時，可顯著抑制O2平均濃度的上升。

圖4 O2濃度隨時間變化

2.2 海拔高度變化對惰化系統(tǒng)的影響

為保證燃油系統(tǒng)正常為發(fā)動機供油，通氣系統(tǒng)在直升機飛行包線內(nèi)必須保證燃油箱內(nèi)氣體壓強與外界大氣壓強相等。當(dāng)直升機飛行高度變化時，外界大氣壓強變化，空氣通過通氣管進入燃油箱，造成燃油箱內(nèi)部O2濃度升高，燃油箱內(nèi)部壓強同時變化。如表4計算了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。模型不考慮直升機通氣管入口處壓強差，保證兩個通氣口壓強時刻相等，爬升或下降速度為11.5m/s，整個過程耗時約520 s。初始時刻燃油箱內(nèi)O2濃度為9%，內(nèi)部空間全為氣體。

圖5為O2平均濃度隨時間的變化曲線。由圖5可以看出，直升機在爬升和平飛過程中，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，外界空氣基本無法進入燃油箱內(nèi)。在下降過程中，O2含量逐漸上升，在到達0 m海拔時達到最大值0.1467。當(dāng)下降過程中同時通入惰性氣體，O2濃度上升的趨勢得到抑制，當(dāng)體積置換率大于0.0011 s-1時，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。可以看出，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濃度隨時間變化

圖6 E=0.0011s-1，T=250s時刻燃油箱O2濃度分布

2.3 液面下降對惰化系統(tǒng)影響

飛行過程中燃油箱內(nèi)燃油逐漸減小，氣相空間逐漸增大，為保證燃油箱內(nèi)壓強與外界相同，外界空氣會由通氣管進入燃油箱，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，燃油箱中O2濃度不同時刻的平均體積濃度。可以看出，在不通入惰性氣體時，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，O2濃度約維持在初始時刻的9%；在體積置換率為約0.0015 s-1時，O2濃度迅速下降。由圖8可以看出，在液面下降過程中，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濃度達到了約14%。

圖7 O2濃度隨時間變化

圖8 E=0.0008s-1，T=250s時刻燃油箱O2濃度分布

2.4 通氣管出口壓強差影響

燃油箱通氣系統(tǒng)一般會有多個通氣管，直升機飛行時，由于通氣管出口位置分布于機身蒙皮不同部位，所以通氣管出口處靜壓不相同，通氣管出口的壓強差會導(dǎo)致外界氣體進入燃油箱。通氣管出口處設(shè)為壓力出口邊界條件，參考某型機正常平飛速度為0.28Ma時的蒙皮處靜壓分布，靠近惰性氣體入口一側(cè)的通氣管入口1絕對壓強設(shè)為101028Pa，通氣管入口2絕對壓強設(shè)為100429Pa。先預(yù)迭代50timesetp，得到油箱內(nèi)部壓強為100759Pa，初始化油箱內(nèi)壓強為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平均濃度隨時間的變化曲線。由圖9可以看出，在未通入惰性氣體時，燃油箱中O2平均濃度很快超過9%并逐漸升高，在500s以后超過了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，O2平均體積濃度基本保持在初始值9%。在通入速度超過8m/s時，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%，在壓強大的一側(cè)通氣管入口處O2濃度達到14%。

圖9 O2濃度隨時間變化

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。通氣管出口壓強差是影響惰化系統(tǒng)效果的最主要因素。

進一步分析可知，3種因素單獨作用時，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，通入與3個因素單獨作用時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，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存在壓力差等3個因素對惰化系統(tǒng)的影響，可以單獨考慮。

圖10 E=0.0023s-1，T=250s時刻燃油箱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)值仿真計算方法的計算結(jié)果與理論模型計算結(jié)果一致，可以應(yīng)用于燃油箱惰化系統(tǒng)的設(shè)計工作中。仿真計算了飛行時O2平均體積濃度的變化規(guī)律，并分別計算了高度下降、燃油消耗、通氣管出口存在壓力差3個因素單獨作用時，燃油箱中O2平均體積濃度的變化情況，給出典型時刻截面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)工作效率會受到其它子系統(tǒng)的影響。

2) 直升機海拔下降、燃油油液消耗、通氣管出口存在壓強差，會造成外界空氣進入燃油箱，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、通氣管存在壓強差三個因素同時發(fā)生時，通入惰性氣體體積置換率略大于三個因素單獨發(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，可以驗證惰性氣體進氣口位置設(shè)置的合理性，避免油箱中局部O2濃度過高。

本文未考慮燃油箱實際使用中燃油中溶解O2的溢出[10,11]；也未考慮安裝多個燃油箱時通氣系統(tǒng)對惰化系統(tǒng)的影響，因此在后續(xù)工作中將對此開展進一步研究。

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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： 直升機燃油系統(tǒng)。

1673-1220(2016)02-026-06

V228.1+1

A