航空電纜火焰沖擊實(shí)驗(yàn)與模擬＊

李啟倫，王 志，曲 芳

（沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽 110136）

航空電線電纜在實(shí)際燃燒過程中，護(hù)套和絕緣層等套層結(jié)構(gòu)的材料最先受到熱影響發(fā)生熱解反應(yīng)[1]。隨著外界環(huán)境溫度的升高，電線電纜套層材料在外界熱環(huán)境的影響下分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。隨著外界環(huán)境溫度的持續(xù)升高，電線電纜套層材料由熔融態(tài)繼續(xù)發(fā)生熱解，生成碳化物和可燃?xì)怏w等物質(zhì)[2-3]。當(dāng)可燃?xì)怏w的質(zhì)量濃度達(dá)到燃燒條件時(shí)，電線電纜套層材料發(fā)生燃燒，產(chǎn)生熱量和煙氣等火災(zāi)危害。因此，研究航空電線電纜材料在火焰沖擊下的變化過程，是分析航空電線電纜燃燒的基礎(chǔ)性工作。

1 火焰沖擊試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由防/耐火基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)和熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)2部分組成。基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)主要由耐高溫316鋼質(zhì)箱體、本生燈及供氣系統(tǒng)、夾具升降平臺(tái)組成，試驗(yàn)件在設(shè)備上的裝夾如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)電纜裝夾

1.2 試驗(yàn)過程

依據(jù)《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》（第14部分：防火、可燃性試驗(yàn)），使用本生燈進(jìn)行垂直和水平可燃性試驗(yàn)時(shí)，火焰高度為38 mm，火焰溫度范圍為800～1 000℃。

試驗(yàn)過程如下：①打開設(shè)備電源；②調(diào)整空氣及燃?xì)饬髁坑?jì)使火焰高38 mm，同時(shí)火焰溫度為設(shè)定溫度；③按下“計(jì)時(shí)”按鈕，啟動(dòng)計(jì)時(shí)并達(dá)到設(shè)定值，火焰自動(dòng)熄滅完成火焰校準(zhǔn)；④確認(rèn)試驗(yàn)件安裝到位，相關(guān)參數(shù)與試驗(yàn)工況表內(nèi)容相符，同時(shí)檢查各數(shù)據(jù)采集設(shè)備處于正常工作狀態(tài)；⑤打開溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開展試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集工作；⑥試驗(yàn)結(jié)束，將燃燒器移除后收集試驗(yàn)樣品的燒蝕產(chǎn)物。

在電纜不同區(qū)域布置熱電偶測(cè)溫元件，獲取電纜內(nèi)部溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)及隨時(shí)間的變化曲線。熱電偶布置位置如圖2所示。熱電偶1位于線芯絕緣層外，熱電偶2位于線芯中間。

圖2 電纜橫截面及熱電偶布置示意圖

熱電偶布置方法：緊貼外層保護(hù)套和絕緣層將熱電偶1插入電纜內(nèi)部，熱電偶2沿軸向插入金屬線芯內(nèi)部，插入深度要能夠使熱電偶測(cè)溫端位于火焰作用中心區(qū)域。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

電纜火焰沖擊試驗(yàn)前后的形貌對(duì)比如圖3所示。溫度數(shù)據(jù)如表1所示，用熱電偶1測(cè)量絕緣層外溫度，用熱電偶2測(cè)量金屬線芯溫度。

圖3 電纜試驗(yàn)前后對(duì)比圖

表1 電纜溫度數(shù)據(jù)

電纜火焰沖擊試驗(yàn)2個(gè)熱電偶的溫度示數(shù)在800℃，火焰沖擊15 min時(shí)的變化曲線如圖4所示。

圖4 電纜線芯和絕緣層溫度隨時(shí)間變化曲線

從圖4中可以看出，在火焰沖擊作用5 min前，外層保護(hù)套未被完全破壞，2個(gè)熱電偶示數(shù)平穩(wěn)；5 min后由于外層保護(hù)套被火焰破壞，2個(gè)熱電偶所測(cè)的溫度受火焰波動(dòng)直接影響。由于生成的碳層包裹線芯，線芯溫度（508.8℃）低于絕緣層外部溫度（585.9℃）。

2 火焰沖擊模擬

2.1 標(biāo)準(zhǔn)k-Omega模型

標(biāo)準(zhǔn)k-Omega模型是一種基于湍流能量方程和擴(kuò)散速率方程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它是為了考慮低雷諾數(shù)、可壓縮性、剪切流傳播基于Wilcox k-Omega模型而修改的，可以很好處理近壁處低雷諾數(shù)的數(shù)值計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)k-Omega模型的湍動(dòng)能及其比耗散率輸運(yùn)方程為：

式（1）（2）中：Tk和Tω分別為k和ω的擴(kuò)散率；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gω為由ω方程產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Yk和Yω為由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的湍流。

2.2 Shear Stress Transport模型

基于SST模型的k-Omega方程考慮了湍流剪切應(yīng)力的傳輸，可以精確預(yù)測(cè)流動(dòng)開始和負(fù)壓梯度下流體的分離量。SST模型的最大優(yōu)點(diǎn)在于考慮了湍流剪切應(yīng)力，從而不會(huì)對(duì)渦流粘度造成過度預(yù)測(cè)[4]。SST模型的湍動(dòng)能方程也為式（1），其比耗散率輸運(yùn)方程為：

式（3）中：Dω為正交發(fā)散項(xiàng)；其余各參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)k-Omega模型中的參數(shù)含義相同。

2.3 材料參數(shù)的設(shè)定

由于ANSYS Fluent軟件的材料庫中并沒有聚四氟乙烯，所以需要設(shè)定聚四氟乙烯的比熱容和導(dǎo)熱率，如表2所示。

表2 聚四氟乙烯的比熱容與導(dǎo)熱率

Fluent模擬電纜火焰沖擊試驗(yàn)在800℃火焰下沖擊15 min時(shí)的溫度分布云圖如圖5所示。

圖5 火焰沖擊15 min電纜溫度分布云圖

模擬過程中2個(gè)熱電偶位置處溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖6 模擬過程溫度隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

火焰溫度為800℃時(shí)，聚四氟乙烯帶被火焰破壞，2個(gè)熱電偶測(cè)得的溫度受火焰波動(dòng)直接影響；聚四氟乙烯層燃燒后碳化，導(dǎo)致線芯溫度低于聚四氟乙烯層外部的溫度[5]，通過Fluent的仿真模擬也可以印證實(shí)驗(yàn)得到的這一規(guī)律。