直升機(jī)動(dòng)力艙滅火劑擴(kuò)散仿真分析

韓代椿，鄭友蘭，洪 彬，楊小龍

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.陸軍裝備部駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

直升機(jī)的火災(zāi)隱患對直升機(jī)的安全具有重要影響。直升機(jī)動(dòng)力艙滅火系統(tǒng)，航標(biāo)HB7879-2008《直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙滅火系統(tǒng)通用要求》規(guī)定：滅火系統(tǒng)的噴射，在其作用區(qū)的所有部分中形成的滅火劑體積濃度至少為6%(22%重量濃度)；在正常巡航狀態(tài)下，該濃度在其作用區(qū)的所有部分中應(yīng)持續(xù)至少0.5 s的時(shí)間。在直升機(jī)滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行滅火系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證滅火效果。通過數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行動(dòng)力艙滅火劑擴(kuò)散仿真研究可以指導(dǎo)試驗(yàn)，減少試驗(yàn)成本和周期，同時(shí)為型號的改型和研制提供支撐。

目前國內(nèi)外對飛行器滅火系統(tǒng)開展了大量研究工作，主要集中于固定翼飛機(jī)和船舶的滅火系統(tǒng)管網(wǎng)系統(tǒng)理論計(jì)算和動(dòng)力艙滅火劑擴(kuò)散模擬仿真。Elliot等人分析了不同管路以及噴嘴形狀對釋放過程的影響。鄒蜀寧推導(dǎo)了非均衡管道系統(tǒng)的鹵代烷1211噴射時(shí)間計(jì)算公式。宣揚(yáng)等對比分析了分岔型噴嘴與直通型噴嘴對管網(wǎng)釋放過程的影響。梁文劍等、胡博等、波音公司的Jeasoo Lee使用CFD技術(shù)仿真計(jì)算了民用固定翼飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙滅火劑濃度場，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)符合性較好。Zbeeb Khaled使用了FLUENT軟件計(jì)算分析了流體速度、湍流強(qiáng)度以及液滴直徑對動(dòng)力艙滅火系統(tǒng)擴(kuò)散過程的影響。本文研究直升機(jī)滅火系統(tǒng)，利用ICEM-CFD軟件對直升機(jī)動(dòng)力艙進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過FLUENT軟件對直升機(jī)動(dòng)力艙滅火劑霧化擴(kuò)散過程進(jìn)行仿真，分析三種通風(fēng)量下滅火劑濃度的分布特性。

1 數(shù)學(xué)模型

滅火劑從噴嘴釋放后，在動(dòng)力艙內(nèi)的霧化混合和擴(kuò)散是一個(gè)瞬態(tài)、復(fù)雜、多變的多相流過程。整個(gè)過程涉及滅火劑液體束的發(fā)展，液滴的破碎、碰撞與聚合，液滴的蒸發(fā)以及與空氣的相互耦合等多個(gè)物理過程。在求解過程中，除基本控制方程外，需采用湍流方程模擬流體的湍流流動(dòng)；DPM模型模擬滅火劑液滴的發(fā)展變化過程；組分輸運(yùn)方程模擬滅火劑在空氣中的擴(kuò)散及傳輸。

1.1 基本控制方程

無論多么復(fù)雜的流動(dòng)都需遵從三個(gè)基本控制方程，分別為質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

1.2 湍流方程

初始通風(fēng)流場為定常流動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型。該方程是使用頻率最高的一種湍流模型，適合絕大多數(shù)的工程湍流模擬。表達(dá)式為：

(4)

(5)

動(dòng)力艙滅火劑擴(kuò)散過程為不定常流動(dòng)，根據(jù)計(jì)算得到時(shí)間步長的數(shù)量級為10e-5，采用DPM模型，追蹤的顆粒數(shù)達(dá)到百萬量級，計(jì)算量大。為縮短仿真時(shí)間，采用S-A(Spalart-Allmaras)模型計(jì)算。S-A模型相對于兩方程模型計(jì)算量小、穩(wěn)定性好。該方程的形式如下：

(6)

1.3 DPM模型

DPM模型從流體質(zhì)點(diǎn)出發(fā)，跟蹤每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過程中的每一時(shí)刻、每一位置的各個(gè)物理量及變化。DPM模型通過積分Lagrangian參考系下的分散相顆粒的運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡。由顆粒的慣性與受力平衡，寫出分散相顆粒運(yùn)動(dòng)方程為(以直角坐標(biāo)系內(nèi)方向?yàn)槔?：

(7)

1.4 組分輸運(yùn)模型

采用組分輸運(yùn)模型(Species Transport Model)來模擬滅火劑在空氣中的擴(kuò)散及傳輸。組分輸運(yùn)模型通用形式為：

(8)

2 動(dòng)力艙模型及網(wǎng)格劃分

2.1 模型簡化

直升機(jī)動(dòng)力艙外形由縱防火墻、動(dòng)力平臺、前后防火墻和動(dòng)力艙整流罩等構(gòu)成，艙內(nèi)有發(fā)動(dòng)機(jī)、大量管路、配線、附件和輔助裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為減少計(jì)算量并提高計(jì)算的收斂性，需對動(dòng)力艙幾何模型進(jìn)行簡化。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 直升機(jī)動(dòng)力艙簡化模型

2.2 網(wǎng)格劃分

液相滅火劑從噴嘴釋放至動(dòng)力艙會發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，相變及傳熱傳質(zhì)劇烈，計(jì)算收斂困難，對網(wǎng)格質(zhì)量要求較高。本文通過ICEM-CFD軟件對直升機(jī)動(dòng)力艙模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。動(dòng)力艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)性四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用密度盒(Mesh Density)對噴嘴區(qū)域進(jìn)行局部加密。發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力艙網(wǎng)格模型如圖2和圖3所示。初始流場所劃分的網(wǎng)格數(shù)量為247萬，網(wǎng)格質(zhì)量在0.34以上，網(wǎng)格質(zhì)量較高，可以滿足計(jì)算要求。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)面網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 動(dòng)力艙網(wǎng)格模型示意圖

3 初始通風(fēng)流場仿真分析

直升機(jī)動(dòng)力艙滅火劑擴(kuò)散過程是滅火系統(tǒng)噴嘴噴射以及結(jié)束噴射后的艙內(nèi)滅火劑動(dòng)態(tài)擴(kuò)散變化的過程，為不定常流動(dòng)。對動(dòng)力艙初始通風(fēng)流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，得到初始通風(fēng)流場的流動(dòng)特性，作為后續(xù)滅火劑霧化擴(kuò)散過程瞬態(tài)分析的初始狀態(tài)。

直升機(jī)動(dòng)力艙發(fā)生火情時(shí)，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)不正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及滅火過程產(chǎn)生復(fù)燃，該動(dòng)力艙的發(fā)動(dòng)機(jī)需在動(dòng)力艙滅火系統(tǒng)釋放前停車。為了模擬滅火系統(tǒng)釋放過程中動(dòng)力艙的真實(shí)通風(fēng)狀況，選用直升機(jī)處于單發(fā)停車狀態(tài)下可能出現(xiàn)的通風(fēng)量0.383 kg/s、0.575 kg/s和0.762 kg/s，作為初始通風(fēng)流場的通風(fēng)口邊界條件，設(shè)置3個(gè)工況。初始通風(fēng)流場邊界條件設(shè)置如下：

1) 通風(fēng)進(jìn)氣口邊界條件：設(shè)置為質(zhì)量流量入口邊界，根據(jù)通風(fēng)量分別設(shè)置進(jìn)氣質(zhì)量流量為0.383 kg/s、0.575 kg/s和0.762 kg/s，入口壓力設(shè)置為101325 Pa，進(jìn)氣方向與進(jìn)氣口曲面大致呈30°夾角，湍流強(qiáng)度5%，水力直徑為0.1883 m。

2) 通風(fēng)出氣口邊界條件：設(shè)置為壓力出口邊界，出口壓力設(shè)置為101325 Pa，湍流強(qiáng)度5%，水力直徑為0.4151 m。

在求解過程中選用了標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，并使用SIMPLEC算法進(jìn)行求解計(jì)算，分別得到通風(fēng)量為0.383 kg/s、0.575 kg/s和0.762 kg/s的工況下流線圖，如圖4所示。

圖4 各個(gè)通風(fēng)量下動(dòng)力艙流場流線圖

從流場流線來看，各個(gè)通風(fēng)流量下的流線軌跡大體相似：通風(fēng)氣流先從通風(fēng)口流向后防火墻；小部分氣流沿著動(dòng)力平臺到前防火墻并沿引射口從排氣管排出；大部分氣流經(jīng)后防火墻轉(zhuǎn)向后繞著發(fā)動(dòng)機(jī)作旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，最后從排氣管排出。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管與排氣管之間具有兩級引射口，在發(fā)動(dòng)機(jī)停車狀態(tài)下，尾噴管無氣流，引射口前后基本無壓差來帶動(dòng)艙內(nèi)通風(fēng)氣流，通風(fēng)氣流需在艙內(nèi)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)流動(dòng)調(diào)整方向從而通過引射口從排氣管排出。艙內(nèi)氣流流速變化大：通風(fēng)口、后防火墻附近區(qū)域及動(dòng)力平臺處流速較高；動(dòng)力艙其他區(qū)域流速較低；排氣管由于引射口的小孔流動(dòng)流速稍微高一些。

以某型號直升機(jī)滅火系統(tǒng)為例，其滅火系統(tǒng)噴嘴布局如圖5所示。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)附件處離通風(fēng)口較近，但形狀不規(guī)則，且有較多間隙，流動(dòng)受阻，導(dǎo)致流速分布不均。附件外部通風(fēng)氣流流速高，散熱較好，著火隱患較低。附件間隙處流速低，且附件電器線路及燃、滑油管路較多，具有較高的著火隱患?？梢钥吹?，在發(fā)動(dòng)機(jī)附件的上下區(qū)域分別布置了一個(gè)噴嘴，使滅火劑可以直接噴射到附件內(nèi)部，其他向外擴(kuò)散的滅火劑可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)附件的外部區(qū)域的高速氣流迅速擴(kuò)散到艙內(nèi)。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及尾噴管區(qū)域溫度較高，燃油如果泄漏極易引發(fā)火災(zāi)。通過在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室上下區(qū)域各布置一個(gè)噴嘴，繞發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)的通風(fēng)氣流以及向尾噴管流動(dòng)的氣流可以帶動(dòng)滅火劑在周邊及尾噴管處形成較好的滅火劑濃度，達(dá)到滅火效果。因此該動(dòng)力艙滅火系統(tǒng)噴嘴設(shè)計(jì)合理，可以有效地使滅火劑在動(dòng)力艙內(nèi)擴(kuò)散并達(dá)到全淹沒式覆蓋。

圖5 滅火噴嘴布局圖

4 滅火劑擴(kuò)散仿真分析

動(dòng)力艙內(nèi)部空間在處于初始通風(fēng)流場的基礎(chǔ)上，滅火劑從滅火系統(tǒng)噴嘴釋放及后續(xù)霧化擴(kuò)散的過程中，滅火劑體積濃度需滿足航標(biāo)、國軍標(biāo)和適航標(biāo)準(zhǔn)，作為滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)評判。

本文通過FLUENT軟件并基于DPM模型對滅火劑從滅火系統(tǒng)噴嘴釋放及霧化擴(kuò)散過程進(jìn)行仿真研究。

某型直升機(jī)動(dòng)力艙滅火系統(tǒng)噴嘴為等徑直通型噴嘴。噴嘴選用solid-cone類型，噴射時(shí)間為0.976 s，出口邊界條件分別為：

up-1：溫度257 K，質(zhì)量流量0.450 kg/s，出口速度38.7 m/s；

up-2：溫度257 K，質(zhì)量流量0.401 kg/s，出口速度34.5 m/s；

down-1：溫度257 K，質(zhì)量流量0.403 kg/s，出口速度40.3 m/s；

down-2：溫度257 K，質(zhì)量流量0.444 kg/s，出口速度38.2 m/s。

直升機(jī)動(dòng)力艙易著火的區(qū)域大體可以劃為兩個(gè)：一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)的附件機(jī)匣冷端區(qū)，該區(qū)域著火的可能原因是燃油或滑油的泄漏；另一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室熱端區(qū)，該區(qū)域溫度高，燃油如果泄漏極易引發(fā)火災(zāi)。在易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域設(shè)置了12個(gè)監(jiān)測點(diǎn)用來監(jiān)測Halon1301滅火劑體積濃度，基本覆蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)熱端和其他易發(fā)生火災(zāi)的部位。監(jiān)測點(diǎn)布局如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)布局圖

動(dòng)力艙滅火劑擴(kuò)散過程為不定常流動(dòng)，湍流方程選用的是S-A模型，組分輸運(yùn)模型選用Species Transport方程，并選用SIMPLEC方法進(jìn)行求解，得到仿真結(jié)果。

不同通風(fēng)量狀態(tài)下監(jiān)測點(diǎn)滅火劑濃度情況及變化曲線見圖7以及表1。圖7中紅直線對應(yīng)航標(biāo)HB7879-2008要求的滅火濃度6%。

圖7 各個(gè)通風(fēng)量工況下監(jiān)測點(diǎn)滅火劑濃度變化曲線圖

表1 各個(gè)通風(fēng)量工況下監(jiān)測點(diǎn)滅火劑濃度情況

從圖和表中可以看出各監(jiān)測點(diǎn)的變化趨勢是一致的：在滅火劑噴射過程中，滅火濃度逐漸增大，在滅火劑停止噴射時(shí)達(dá)到頂峰；然后突然下降一定量，但基本上都位于6%濃度以上。同時(shí)可以看到，0.383 kg/s、0.575 kg/s和0.766 kg通風(fēng)流量下的滅火劑體積濃度大于6%的持續(xù)時(shí)間分別為2.2 s、1.8 s和1.5 s，滿足航標(biāo)HB7879-2008的滅火劑體積濃度大于6%且持續(xù)時(shí)間大于0.5 s的濃度要求，說明符合設(shè)計(jì)要求。

為進(jìn)一步對比分析，選取圖中各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到航標(biāo)要求的滅火濃度6%的持續(xù)時(shí)間，繪制不同通風(fēng)量的對比圖進(jìn)行比較分析，如圖8所示。其中0.383 kg/s通風(fēng)流量下監(jiān)測點(diǎn)07的滅火劑體積濃度有兩段濃度大于6%的持續(xù)時(shí)間，間隔為0.1 s。為方便與其它工況進(jìn)行對比分析，圖中統(tǒng)計(jì)值為兩段時(shí)間之和。

圖8 各監(jiān)測點(diǎn)滅火劑6%持續(xù)時(shí)間對比圖

對比不同通風(fēng)量工況下的各監(jiān)測點(diǎn)滅火劑6%持續(xù)時(shí)間情況，通風(fēng)量越低，各監(jiān)測點(diǎn)保持滅火劑體積濃度6%的持續(xù)時(shí)間越長，且各監(jiān)測點(diǎn)之間的滅火劑濃度6%持續(xù)時(shí)間長短關(guān)系不變，表明滅火劑在艙內(nèi)的分布較為均勻，噴嘴設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)束語

本文針對某型直升機(jī)動(dòng)力艙，進(jìn)行了模型簡化，采用ICEM-CFD進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，使用FLUENT軟件并基于DPM模型進(jìn)行三種通風(fēng)量狀況下的滅火劑擴(kuò)散仿真分析。動(dòng)力艙滅火劑體積濃度仿真計(jì)算結(jié)果均滿足航標(biāo)HB7879-2008的滅火劑濃度要求。通風(fēng)量減少。滅火劑體積濃度6%持續(xù)時(shí)間增長；通風(fēng)量增加，滅火劑體積濃度6%持續(xù)時(shí)間減少。滅火劑濃度變化趨勢一致表明滅火系統(tǒng)噴嘴設(shè)計(jì)合理。該方法對其他型號的直升機(jī)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)也具有參考價(jià)值。