某型飛機發(fā)動機艙滅火性能仿真計算

姜雪丹，王 靖

（中航西飛民用飛機有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089）

飛機上充滿了極易燃燒的可燃物質(zhì)，如航空燃油、液壓油，同時航空發(fā)動機在工作時會產(chǎn)生極高的溫度。飛機火災(zāi)事故的特點主要表現(xiàn)為突發(fā)性強、燃燒猛烈，救援難度大，滅火難度大，火災(zāi)如果不能在幾分鐘內(nèi)得到有效控制，就會引起嚴重的機毀人亡事故。因此，為滿足飛機的安全性要求，需在飛機火區(qū)內(nèi)設(shè)計高效可靠的防滅火系統(tǒng)[1]。滅火系統(tǒng)的組成包括固定式滅火瓶、滅火劑輸送管路、滅火噴嘴、釋放機構(gòu)等[2]。目前，國內(nèi)外飛機防滅火系統(tǒng)普遍使用鹵代烷固定式滅火系統(tǒng)，設(shè)計方案一般采用經(jīng)驗設(shè)計或參考其他機型確定主要參數(shù)，在適航取證過程中，需對設(shè)計方案進行符合性驗證分析，驗證方法主要為通過試驗和仿真計算，試驗方法耗時耗力，選取的工況參數(shù)有限。此時，利用仿真計算方法可以拓寬目標工況，也可為設(shè)計方案進行理論上的解釋說明，并提供改進建議。適航要求及相關(guān)標準[3]規(guī)定滅火劑噴射后在其作用區(qū)內(nèi)形成的滅火劑體積分數(shù)應(yīng)至少為6%，且持續(xù)時間不少于0.5 s。

關(guān)于滅火系統(tǒng)的設(shè)計與驗證問題，各行各業(yè)包括建筑、船艦等[4-6]開展了大量研究，但在航空領(lǐng)域研究較少，胡博等[7-8]通過仿真計算方法對渦扇發(fā)動機艙和APU（Auхiliаry Pоwеr Unit）艙滅火性能進行分析，然而他們的輸入條件相對粗狂，考慮的影響因素不全面。而滅火性能受流場影響較大，如若能將流場仿真計算與滅火計算結(jié)合起來，將流場計算結(jié)果直接作為滅火計算的初始條件，則能得到具體工況下的滅火性能，分析復(fù)雜因素對滅火系統(tǒng)的影響。

本文選取某型飛機巡航過程中觸發(fā)火警信號啟動滅火程序的發(fā)動機艙滅火過程進行CFD 仿真計算，提供一種發(fā)動機艙滅火仿真計算方法，為飛機滅火性能的優(yōu)劣提供理論支持。

1 設(shè)計方案及計算思路

影響滅火性能的主要參數(shù)包括滅火劑特性、滅火劑量和滅火噴嘴的布置方式。某型飛機已形成初步的設(shè)計方案，選用Hаlоn 1301 滅火劑，該滅火劑具有電絕緣性好、滅火速度快、用量省、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高、毒性小等優(yōu)良特性。滅火劑量按照GJB 3275—1998《飛機滅火系統(tǒng)安裝和試驗要求》[9]的規(guī)定進行計算，最終確定為4.5 kg。滅火瓶安置在非火區(qū)并距離發(fā)動機艙較近的設(shè)備艙中，滅火管路連接滅火瓶的出口，然后延伸至發(fā)動機艙上部鋪設(shè)，沿滅火管路可布置滅火噴嘴。滅火噴嘴的布置方式包括噴嘴位置點和噴嘴朝向，需重點考慮燃燒室機匣、渦輪機匣、排氣引射管及環(huán)控引氣管路等高溫部位，且保證滅火區(qū)域可涵蓋火區(qū)的全部范圍。

本次計算關(guān)于某型飛機在巡航過程中觸發(fā)發(fā)動機艙火警信號后實施滅火操作，通過對發(fā)動機艙滅火性能進行CFD 仿真計算，分析發(fā)動機艙滅火性能。首先通過發(fā)動機艙通風(fēng)冷卻仿真計算得到進排氣口和發(fā)動機艙內(nèi)的氣流、壓力等主要物理量，然后將它們作為滅火系統(tǒng)計算模型的邊界條件進行滅火系統(tǒng)仿真計算。本次研究對象為發(fā)動機艙內(nèi)部，但對于發(fā)動機艙通風(fēng)冷卻仿真計算來說，外部結(jié)構(gòu)也會影響進入艙內(nèi)的氣流量及壓力場的分布，因此需要建立遠場，并考慮機身機翼等外部結(jié)構(gòu)的影響。

2 滅火劑

哈龍1301 滅火劑是一種無色、無味、不導(dǎo)電、有效利用介質(zhì)滅火的鹵代烷氣體。它主要是通過參與燃料和氧氣的燃燒反應(yīng)，終止化學(xué)反應(yīng)鏈，其次是通過稀釋燃料和氧氣質(zhì)量濃度，以及汽化冷卻作用達到滅火效果，哈龍1301 滅火劑的主要物理化學(xué)性能如表1 所示。

表1 哈龍1301 滅火劑主要物理化學(xué)特性

3 計算模型及邊界條件

3.1 流場計算

對實際模型進行簡化，忽略對流場影響較小的部件，在機翼機身外部建立遠場，然后采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對流場計算模型進行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時對附面層區(qū)域進行附面層網(wǎng)格劃分，對壁面結(jié)構(gòu)復(fù)雜處進行局部網(wǎng)格加密處理。當空中觸發(fā)發(fā)動機艙火警信號時，需將著火發(fā)動機的功率桿拉到飛行慢車狀態(tài)，將著火發(fā)動機對應(yīng)的螺旋槳調(diào)至順槳位置，然后按壓著火發(fā)動機的火警按鈕進行滅火。因此，邊界條件的設(shè)置如下：①外場表面，壓力遠場邊界條件，給定馬赫數(shù)、環(huán)境壓力和溫度、飛機迎角；②螺旋槳參數(shù)，順槳，給定槳葉角（90°）、風(fēng)車轉(zhuǎn)速；③發(fā)動機功率，飛行慢車；④固體壁面，無滑移壁面邊界條件，發(fā)動機熱端壁面給定壁面溫度；⑤發(fā)動機艙結(jié)構(gòu)上的進排氣口，內(nèi)部面。

設(shè)置湍流模型、求解器和離散格式等開展計算，計算結(jié)束后，將發(fā)動機艙的進排氣口的氣流、壓力等物理量輸出成Prоfilе 文件。流場計算模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 流場計算模型網(wǎng)格劃分

3.2 滅火計算

滅火仿真計算是在連續(xù)的流場中注入第二相，可使用離散相模型模擬液態(tài)滅火劑的破碎霧化和氣化，追蹤顆粒運行軌道，使用組分輸運模型模擬液態(tài)滅火劑霧化形成的氣態(tài)滅火劑在流場中的擴散和摻混。

滅火計算僅僅關(guān)注發(fā)動機艙，計算模型進氣口給定速度進口，出氣口給定壓力出口，均將流場仿真計算得到的Prоfilе 文件輸入到對應(yīng)邊界上進行賦值，并開啟組分輸運模型。發(fā)動機艙滅火系統(tǒng)計算模型網(wǎng)格劃分如圖2 所示。首先進行流場穩(wěn)態(tài)計算，計算收斂之后開啟離散相模型進行滅火瞬態(tài)計算。對于進排氣口，離散相邊界類型設(shè)置為еsсаре，對于固體壁面，離散相邊界類型設(shè)置為wаll-jеt。本次計算設(shè)置為4.5 kg 的滅火劑在1.4 MPа 的壓力下1 s 噴完，滅火噴嘴的設(shè)置示例如表2 所示。

圖2 發(fā)動機艙滅火系統(tǒng)計算模型網(wǎng)格劃分

表2 滅火噴嘴設(shè)置示例

4 計算結(jié)果及分析

滅火劑噴射前和噴射中的發(fā)動機艙內(nèi)氣流路徑如圖3 和圖4 所示，外界空氣在螺旋槳滑流、來流沖壓及發(fā)動機主排氣流的引射抽吸作用下，氣流從進氣口旋轉(zhuǎn)進入發(fā)動機艙內(nèi)，最終與發(fā)動機主排氣混合后從引射管排出。滅火劑噴射前，除入口氣流速度較大外，艙內(nèi)氣流速度大致相同，而滅火劑的噴射會改變艙內(nèi)氣流流向，滅火噴嘴附近氣流速度較大。

圖3 發(fā)動機艙內(nèi)氣流路徑（噴射滅火劑前）

圖4 發(fā)動機艙內(nèi)氣流路徑（噴射滅火劑中）

計算過程中每0.2 s 保存一次數(shù)據(jù)，計算時長為2.0 s，仿真計算結(jié)果如圖5 所示。從滅火劑體積分數(shù)隨時間的變化趨勢可以看出，發(fā)動機艙內(nèi)滅火劑體積分數(shù)分布不均，氣流入口處體積分數(shù)較低，隨著噴射的進行及滅火劑的擴散，艙內(nèi)滅火劑體積分數(shù)持續(xù)上升。1 s 噴射結(jié)束后，由于艙內(nèi)滅火劑被氣流裹挾至出口，導(dǎo)致滅火劑在發(fā)動機艙后部堆積，體積分數(shù)偏高。發(fā)動機艙前部進氣口處由于氣流速度過高很難達到6%的體積分數(shù)要求，雖在1.2 s 時可以達到要求，但保持時間較短；另外，可以明顯看出，在0.8～1.4 s 的時間段，除入口外，艙內(nèi)其余空間的滅火劑體積分數(shù)可持續(xù)保持6%以上的要求；從0.6 s 開始，發(fā)動機本體

圖5 不同時間段滅火劑體積分數(shù)云圖

熱端壁面總能保持在高體積分數(shù)水平。

為探究滅火劑噴射產(chǎn)生的艙內(nèi)高壓是否會破壞艙結(jié)構(gòu)，對艙內(nèi)外壓強進行監(jiān)測，流場計算得到的艙外壓強云圖如圖6 所示，滅火計算得到的艙內(nèi)壓強云圖如圖7 所示。由于艙外存在高速氣流，艙外總壓始終高于艙內(nèi)，滅火劑噴射過程中，艙內(nèi)壓強增大，但仍低于艙外壓強，艙內(nèi)外壓強差反而減小。滅火劑噴射結(jié)束后，發(fā)動機艙短時間內(nèi)即可泄壓。

圖6 艙外壓強云圖

圖7 不同時間段艙內(nèi)壓強云圖

5 結(jié)論

本文以某型飛機在巡航過程中觸發(fā)發(fā)動機艙火警信號進行滅火劑釋放為例，通過CFD 仿真計算的方法，對滅火區(qū)域滅火劑體積分數(shù)分布以及艙內(nèi)壓強變化進行分析，驗證滅火系統(tǒng)設(shè)計的合理性，為飛機滅火系統(tǒng)適航符合性分析提供數(shù)據(jù)支持。分析表明，滅火噴嘴位置及滅火劑量的選擇可以滿足滅火系統(tǒng)的設(shè)計要求，且滅火劑噴射不會對艙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。