飛機貨艙煙霧探測系統(tǒng)優(yōu)化布置技術(shù)及平臺研發(fā)

張 沛，孟曼利，汪 箭

(1.中航工業(yè)一飛院，西安，710089；2.中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026)

飛機貨艙煙霧探測系統(tǒng)優(yōu)化布置技術(shù)及平臺研發(fā)

張 沛1,2，孟曼利1，汪 箭2*

(1.中航工業(yè)一飛院，西安，710089；2.中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026)

對飛機貨艙煙霧探測系統(tǒng)布置原則進行了論述，提出了一套飛機貨艙煙霧探測系統(tǒng)布置方法，并開發(fā)出一套煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺。對煙霧探測系統(tǒng)布置中的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題進行了詳細討論，并以某型運輸機貨艙為實例進行了仿真計算。

煙霧探測；布置方法；仿真計算

0 引言

飛行事故伴隨著航空業(yè)的發(fā)展，空中失火是導致飛行事故的重要因素[1]。運輸類飛機貨艙內(nèi)空間大，貨物裝載構(gòu)型多樣，同時貨艙內(nèi)布置有各種電氣設(shè)備，鋪設(shè)了大量的電氣線纜，一旦發(fā)生火情，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并采取相應措施，就會危及飛機安全。

煙霧是火災的前兆和伴隨產(chǎn)物，也是早期火災探測的基礎(chǔ)，現(xiàn)代飛機貨艙火警探測大部分采用煙霧探測技術(shù)。目前飛機貨艙內(nèi)的煙霧探測系統(tǒng)布置通常采用經(jīng)驗設(shè)計或參考相關(guān)機型進行布置， 缺乏一種成熟、有效的煙霧探測系統(tǒng)布置方法[2]。因此，從飛機貨艙煙霧探測系統(tǒng)性能優(yōu)化的角度出發(fā)，研究適用于飛機貨艙環(huán)境的煙霧探測布置方法無疑具有重要意義。

1 煙霧探測系統(tǒng)布置原則

在飛機貨艙內(nèi)合理地布置煙霧探測器，應滿足以下原則：

1) 安全性，即所有的探測區(qū)域都在煙霧探測器的監(jiān)視范圍內(nèi)，不存在探測不到的“死角”。

2) 經(jīng)濟性，即充分利用每個煙霧探測器的監(jiān)視空間，在保證安全性的前提下，使探測器的數(shù)量最少。

因此，在飛機貨艙煙霧探測系統(tǒng)的布置原則是要在滿足安全性的前提下，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

2 研究目標

根據(jù)《中國民用航空規(guī)章》第25.858條規(guī)定，對于每個裝有煙霧探測裝置的貨艙或行李艙，必須滿足：“該探測系統(tǒng)必須在起火后一分鐘內(nèi)，向飛行機組給出目視指示[3]。”本條款明確給出了飛機貨艙或行李艙煙霧探測系統(tǒng)的性能要求。因此，對于一個給定的飛機貨艙，本文的研究目標是在滿足《中國民用航空規(guī)章》第25.858條要求的前提下，確定煙霧探測器的數(shù)量和位置兩個元素。

3 研究步驟

本文采用FDS(Fire Dynamics Simulator)作為煙霧仿真工具，通過反復迭代計算，最終輸出探測器的數(shù)量和位置。

FDS是美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的一款火災動力學場模擬軟件，它以火災煙氣流動和熱傳遞過程為重點研究對象[4]，是目前公認優(yōu)秀的煙氣模擬工具。目前，F(xiàn)DS在建筑等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應用，但是采用火災模擬軟件研究飛機煙霧探測系統(tǒng)的布置設(shè)計在國內(nèi)還剛起步。

本文提出的研究流程如圖1所示。

圖1 煙霧探測系統(tǒng)布置流程Fig.1 Smoke detection system placement procedure

第一步：初步確定飛機貨艙內(nèi)煙霧探測器的數(shù)量和位置(具體確定方法見4.1節(jié))。

第二步：根據(jù)飛機貨艙的實際尺寸、典型貨物裝載構(gòu)型和煙霧探測器的初步布置位置建立FDS模型。

第三步：對已建立的模型劃分網(wǎng)格。

第四步：設(shè)置模型各種屬性和邊界條件，包括根據(jù)飛機環(huán)控系統(tǒng)的實際情況設(shè)置貨艙供氣口和排氣口屬性，壁面、地板、貨物和各種設(shè)施的材料屬性，一個火源的位置和參數(shù)，煙霧探測器性能參數(shù)。

第五步：進行仿真計算。

第六步：判斷是否完成所有火源位置的計算；如果未完成，則轉(zhuǎn)入第四步，進行下一個火源位置的計算(火源位置的確定方法見4.3節(jié))；如果已完成，則轉(zhuǎn)入下一步。

第七步：查看所有火源位置的計算結(jié)果，判斷貨艙煙霧探測系統(tǒng)的響應時間t是否小于60 s。若t>60 s，則系統(tǒng)布置不滿足要求，需要調(diào)整煙霧探測器布置，轉(zhuǎn)入第四步進行重新計算；若t≤60 s，則系統(tǒng)布置滿足要求，轉(zhuǎn)入下一步。

第八步：輸出計算結(jié)果，結(jié)束。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 煙霧探測器初步布置

1) 煙霧探測器初步數(shù)量的確定

煙霧探測器初步數(shù)量的確定可由公式(1)計算出：

(1)

式中N為煙霧探測器數(shù)量，計算結(jié)果舍去小數(shù)；

S為貨艙探測區(qū)域的面積，根據(jù)飛機貨艙三維數(shù)模確定；

A為煙霧探測器保護面積，由煙霧探測器供應商提供。

2) 煙霧探測器初步位置的確定

煙霧顆粒是火災早期的重要特征。如圖2所示，煙霧顆粒從火源產(chǎn)生后，因為高溫氣體比周圍空氣的密度低所引起的煙氣熱浮力效應，煙氣首先向火源上方運動；當?shù)竭_貨艙頂部時，在頂部逐漸積聚，然后再向附近區(qū)域擴散。

圖2 貨艙內(nèi)煙霧產(chǎn)生及擴散路徑示意圖Fig.2 Generation and diffuseness of smoke in cargo compartment

圖3 煙霧探測器初步布置示意圖Fig.3 Preliminary placement of smoke detectors

因此，在初步布置時通常將煙霧探測器均勻布置在貨艙頂棚，考慮到飛機貨艙通常是對稱結(jié)構(gòu)，一般將煙霧探測器均勻布置在飛機對稱面上，如圖3所示。

根據(jù)以上計算方法和布置原則，能夠得到初步煙霧探測器數(shù)量和布置。

4.2 不規(guī)則曲面FDS建模[5]

FDS的效率在于它對數(shù)字網(wǎng)格的簡化，僅能夠?qū)匦螏缀误w進行直接建模，目前主要應用在規(guī)則

形面的場景中，但是飛機外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有大量的不規(guī)則形面，無法對不規(guī)則形面進行建模制約了FDS在航空領(lǐng)域的應用。

邵等[6]提出了一種用矩形方塊來擬合圓弧墻或斜線墻的算法，能夠較好地解決等截面隧道的建模問題，但是對于飛機上一些曲率變化較大的非規(guī)則形面建模則無法順利完成；ARX-FDS、PyroSim等幾款軟件能夠解決AutoCAD環(huán)境下的曲面建模問題，因為CATIA與AutoCAD軟件格式不兼容的問題，轉(zhuǎn)換效率低，需要手工進行大量的修改，也無法較好的用于航空領(lǐng)域。

本文提出一種用大量小矩形塊逼近不規(guī)則曲面的方法，利用CATIA軟件結(jié)合編程的方式，能夠高效地完成不規(guī)則曲面自動建模，其工作流程見圖4。

圖4 FDS非規(guī)則形面建模流程Fig.4 Irregular surface modeling procedure in FDS

本文提出的不規(guī)則曲面自動建模思想是：首先將不規(guī)則形面進行“三角化”，然后將所有的三角形沿同一矢量方向拉伸，得到三角形棱柱。根據(jù)網(wǎng)格的尺寸和位置，將所有與三角形棱柱相交的網(wǎng)格進行標定，為了節(jié)省計算機資源，提高建模效率，再將被標定的六面體單元合并成較少的矩形塊；最后根據(jù)合并后的矩形塊的坐標生成OBST命令行，導入FDS后完成建模。不規(guī)則形面FDS建模如圖5所示。

4.3 火源位置的確定

根據(jù)AC25-9A《煙霧探測、穿透、排煙試驗和相關(guān)飛行手冊應急程序》，火源(煙霧發(fā)生裝置)應布置

圖5 不規(guī)則形面FDS建模示意圖Fig.5 Irregular surface modeling in FDS

在貨艙內(nèi)貨物裝載區(qū)域的邊界上。

為了保證區(qū)域內(nèi)不存在探測“死角”，本文提出火源位置應按照以下方法確定：

1) 在飛機貨艙的俯視圖中選取相鄰兩個煙霧探測器連線的中點，再向貨物裝載區(qū)域邊界進行投影得到一系列火源位置；

2) 在貨艙的前后兩端，選取貨物裝載區(qū)域邊界上距離煙霧探測器最遠的位置設(shè)置火源。

火源位置選擇示意圖見圖6。

圖6 火源位置選擇示意圖Fig.6 Fire source position definition

4.4 探測器反應時間的確定

目前，飛機貨艙多采用光電式煙霧探測器。如圖7所示，由于空氣樣本從煙霧探測器外部進入到探測器傳感腔需要一段時間，因此探測器內(nèi)部的減光率值相對于探測器外會有一個滯后時間，圖7中tB-tA即為探測器反應時間。

圖7 煙霧探測器反應時間示意圖Fig.7 Smoke detector reaction time

根據(jù)《中國民用航空規(guī)章》第25.858條，貨艙煙霧探測系統(tǒng)應“在起火后一分鐘內(nèi)，向飛行機組給出目視指示”，而根據(jù)AS8036《貨艙火警探測裝置》和HB7098-1994《民用航空器貨艙和行李艙煙霧探測器最低性能要求》，光電式煙霧探測器應在空氣樣本進入探測器后30 s內(nèi)輸出告警信號。由此可見，煙霧探測器反應時間有可能會占據(jù)煙霧探測系統(tǒng)整個響應時間相當大的一部分。因此，煙霧探測器反應時間的確定，對于飛機貨艙煙霧探測系統(tǒng)布置方法研究非常重要。

本文采用Cleary模型來確定煙霧探測器反應時間[7]，具體公式如下：

(2)

(3)

(4)

δt為煙霧探測器的響應時間(s)；

δte為空氣樣本進入煙霧探測器外殼的時間(s)；

δtc為空氣樣本進入煙霧探測器傳感腔的時間(s)；

u為煙霧探測器安裝處的自由氣流速度(m/s)；

αc、βc、αe、βe為煙霧探測器的特征參數(shù)(無量綱參數(shù))。

從公式(2)～公式(4)可以看出煙霧探測器的響應時間是其安裝處自由氣流速度的函數(shù)，通過確定αc、βc、αe、βe值就可以在計算中得到煙霧探測器的響應時間。

αc、βc、αe、βe值一般由供應商進行確定，通常通過試驗進行標定，也可以通過仿真計算，對煙霧探測內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行詳細建模后確定。

5 平臺開發(fā)

以VC++為編程工具開發(fā)出了技術(shù)平臺，該平臺能夠自動讀入CATIA等三維建模工具輸出的stp格式文件，完成非規(guī)則形面建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定等工作后，調(diào)用煙霧仿真工具FDS軟件進行計算，然后再調(diào)用MATLAB軟件讀入FDS計算結(jié)果，利用遺傳算法優(yōu)化出煙霧探測系統(tǒng)布置。開發(fā)平臺界面如圖8、圖9所示。

圖8 煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺主界面Fig.8 Main interface of smoke detection system placement optimization platform

圖9 煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺操作界面Fig.9 Operation interface of smoke detection system placement optimization platform

6 實例

以某型運輸機貨艙煙霧探測系統(tǒng)為例，對上述研究方法進行驗證。根據(jù)飛機三維數(shù)模，貨艙長22m，寬4m，則貨艙探測區(qū)域的面積為88m2；選用的煙霧探測器保護面積A=15m2；根據(jù)公式(1)煙霧探測數(shù)量N=88/15=5.9，取整數(shù)為6。

將6個煙霧探測器均勻布置在貨艙頂棚，同時保證這些探測器分布在飛機對稱面內(nèi)。根據(jù)飛機貨艙數(shù)模建立FDS模型，見圖10，其中貨艙前段、尾段和內(nèi)部設(shè)施的非規(guī)則曲面采用4.2節(jié)提出的方法進行建模。

對模型進行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)飛機環(huán)控系統(tǒng)的實際情況設(shè)置貨艙供氣口和排氣口屬性，壁面、地板、貨物集裝箱和各種設(shè)施的材料屬性。煙霧探測器的告警閾值為透光率80%/ft～85%/ft。采用4.4節(jié)提供的模型來定義探測器的響應時間，由供應

圖10 某型運輸機貨艙FDS模型Fig.10 FDS model of a transport aircraft cargo compartment

商標定的4個煙霧探測器特征參數(shù)為αc=1.0，βc=-0.8，αe=1.8，βe=-1.1。

將上述參數(shù)輸入到煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺中進行計算，根據(jù)計算得到的探測器響應時間，以遺傳算法為工具進行布置優(yōu)化，經(jīng)過兩輪迭代，輸出了滿足1min響應時間要求的煙霧探測系統(tǒng)布置，見圖11。

圖11 煙霧探測系統(tǒng)仿真計算結(jié)果Fig.11 Smoke detection system simulation result

7 結(jié)論

本文給出了一套飛機貨艙煙霧探測系統(tǒng)布置設(shè)計方法，采用數(shù)值仿真技術(shù)指導飛機貨艙煙霧探測系統(tǒng)設(shè)計，并開發(fā)出了一套煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺，提高了系統(tǒng)的設(shè)計效率和精度，為提高飛機火災安全設(shè)計提供了參考。

[1] 孫明，等.飛機火警信號異常與處置時機[J].四川兵工學報，2009，30(9):84-87.

[2] 孟曼利，張沛.一種飛機機艙煙霧探測系統(tǒng)試驗方法[P].中國:ZL201110037667.5, 2012-12-26.

[3]C25-R4-2001.中國民用航空規(guī)章第25部[S].

[4]HackA.Fireprotectionintraffictunnels-initialfindingsfromlarge-scaletests[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology, 1992, 7(4):363-375.

[5] 張沛，等.FDS非規(guī)則形面建模方法研究[J]. 飛機工程，2011，3:48-50.

[6] 邵鋼，等.FDS中非矩形邊界隧道的自動建模[J].計算機工程與應用，2005,41(36)：213-216.

[7]McGrattanKB,etal.Firedynamicssimulatortechnicalreferenceguide(Version5)[M].Washington,DC:NationalInstituteofStandardsandTechnologySpecialPublication, 2007: 39-40.

Placement optimization and platform development of aircraft cargo smoke detection system

ZHANG Pei1,2, MENG Manli1, WANG Jian2

(1.AVIC The First Aircraft Institute，Xi’an 710089, China; 2.State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

This paper discusses the aircraft cargo compartment smoke detection system placement principles. A placement method is proposed, and an optimization platform is developed for the smoke detection system. Several key technical issues of smoke detection system are discussed in detail, and an example on transport aircraft is given and simulated.

Smoke detection; Placement method; Simulation

2016-01-14；修改日期：2016-07-11

張沛(1982-)，高級工程師，博士生，研究方向是飛機防火系統(tǒng)設(shè)計，火災仿真研究。

汪箭，E-mail:wangj@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00228-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.11

X93; X932

A