民用飛機多艙油箱內(nèi)惰性氣體分布的研究

鹿世化，劉衛(wèi)華，馮詩愚，華 斌

（1.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，南京 210016；2.南京師范大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，南京 210042）

民用飛機多艙油箱內(nèi)惰性氣體分布的研究

鹿世化1，2，劉衛(wèi)華1，馮詩愚1，華 斌2

（1.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，南京 210016；2.南京師范大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，南京 210042）

針對某種通風(fēng)方式，對1／6比例的波音747中心翼油箱內(nèi)的氣流分布進行了可視化實驗，得到了該油箱內(nèi)氣流分布的詳細信息。建立三維數(shù)值模型，對不同Re數(shù)下的多艙氣流分布進行了計算，經(jīng)與實驗結(jié)果對比顯示二者吻合較好。通過數(shù)值模擬得到了各艙的流量分配系數(shù)，采用微元段的計算方法得到了各艙氧濃度的分布。對3種不同通風(fēng)方式下的惰化效果進行了對比研究，提出“最不利艙氧濃度”的概念，認為對多艙油箱進行惰化系統(tǒng)的設(shè)計時，這一因素不容忽略。該研究可為多艙油箱惰化工程設(shè)計提供相應(yīng)的支持，為通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

可視化；燃油箱惰化；沖洗；流量分配；通風(fēng)方式；數(shù)值模擬

0 引 言

1996年7月，環(huán)球航空公司800次航班墜毀，美國國家交通運輸安全委員會（NTSB）認為事故的主要原因是中心翼油箱的爆炸造成的。此后，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）進行了大量研究，試圖消除或減少油箱內(nèi)的可燃蒸汽，其中機載油箱惰化技術(shù)被認為是最行之有效的方法之一。該方法分為沖洗和洗滌，沖洗是將富氮氣體（NEA）通入油箱上部氣相空間，將其中的氧氣和燃油蒸汽置換排出，使氣相空間氧濃度達到所要求的極限氧濃度以下［1－4］。因為管路布置相對簡單，燃油沖洗多用于民用客機油箱的惰化。

對于民機的多艙油箱惰化而言，最佳方法可以定義為用最少的惰性氣體和最簡單的方法使得各艙的氧氣濃度達到給定值。通風(fēng)系統(tǒng)是決定沖洗效果的重要因素，而此方面的研究無論是國外和國內(nèi)都未得到充分的重視。文獻［5］指出要想使得油箱內(nèi)氧氣的體積濃度達到8%，需要1.5～1.6倍體積的NEA95（氮氣濃度95%，氧氣濃度5%）。William M［6］建立了一個多隔艙的模型，用于在地面上研究惰性化方法的性能及缺陷。William M［7］還建立了飛行中的波音747中心翼油箱的數(shù)學(xué)模型，用于計算給定飛行周期和一定的惰性化系統(tǒng)性能條件下的油箱內(nèi)的氧氣濃度。國內(nèi)有研究者［8］對單艙的油箱惰性化進行了研究，建立了沖洗過程的數(shù)學(xué)模型。高秀峰等人［9］的研究結(jié)果顯示，氣相體積換氣次數(shù)隨載油量增加而急劇上升，而總體積換氣次數(shù)隨著載油量成反比關(guān)系。

現(xiàn)有的文獻分析表明，國內(nèi)尚未開展對多艙惰化系統(tǒng)的研究，而在國外的研究中，研究者在面對多艙惰化問題時，往往首先指定某種通風(fēng)方式，并針對該通風(fēng)方式進行研究［6－7］，并沒有針對不同的通風(fēng)方式進行比較和優(yōu)化研究。

筆者以波音747中心翼油箱為例，用實驗和數(shù)值模擬兩種手段研究了不同通風(fēng)方式下各艙的惰化效果，以期為多艙油箱惰化系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 實 驗

圖1（a）為波音747油箱結(jié)構(gòu)的立體示意圖，從圖中可以看出該油箱被擋板分為6個隔艙。在未滿載的情況下，油箱的下部為油，上部為氣相空間，由氧氣、氮氣以及油的蒸汽組成。氣相空間即上文提到的沖洗空間，也是氣體流動的空間。這里油箱為空油箱。油箱大?。洪L×寬×高＝6.36m×6m×1.32m，各隔艙體積百分比分別為：1艙：31%，2艙：23%，3、4艙：10%，5、6艙：13%。進、出口和各艙間的通氣口的面積相同，均為7.8×10－3m3。

為了與已有研究進行對比，首先選用圖1（b）所示的通風(fēng)方式，即富氮氣體從3艙進入，從1艙、6艙流出。

圖1 波音747油箱結(jié)構(gòu)及通風(fēng)示意圖Fig.1 Boeing 747fuel tank structure and one ventilation method

建立實驗裝置如圖2所示。氣相空間模型大小為實際尺寸的1／6，四周材料為膠合板，上面為有機透明玻璃板。風(fēng)機和導(dǎo)流風(fēng)管之間用軟接，軟接的使用使得更換不同功率的風(fēng)機變得方便，從而可獲取不同的進風(fēng)風(fēng)速。將發(fā)煙物放置于發(fā)煙盒內(nèi)，待發(fā)煙穩(wěn)定之后置于導(dǎo)流風(fēng)管的下方入口，依靠氣流的流動，煙霧進入流動空間，從而獲得整場的流動信息。高速攝像機用于監(jiān)控和記錄整個實驗過程中的流場信息。

如何選用適合的發(fā)煙材料是本實驗要解決的首要問題。在試用了稀鹽酸、香燭、干冰［10］等材料后，采用了一種用于制造白色煙霧的煙花作為發(fā)煙材料。該材料的優(yōu)點是發(fā)煙穩(wěn)定、持續(xù)性好。由于發(fā)煙為白色煙霧，筆者將實驗空間的底部設(shè)置為黑色，這樣做的目的在于使得圖像采集的效果更好。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment

當(dāng)流動處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在進風(fēng)處和出風(fēng)處采用手持風(fēng)速儀對進出口風(fēng)速進行測定。風(fēng)速儀為熱敏風(fēng)速儀，型號為TESTO425，測量范圍為0～20m／s，測量精度為±0.03m／s。該款風(fēng)速儀探頭較小，這可以在很大程度上降低因植入物帶來的流場干擾。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算區(qū)域與邊界條件

計算區(qū)域如圖3所示，大小與實驗裝置尺寸一致，為實際油箱大小的1／6，即長、寬、高分別為1.06m、1m、0.22m。左側(cè)為單一進風(fēng)口，邊界條件設(shè)定為速度入口；右側(cè)兩出風(fēng)口設(shè)置為壓力出口。四周以及上下兩個圍合面均設(shè)置作為普通的“墻”對待。內(nèi)部隔板也設(shè)置為“墻”，隔板上的孔口設(shè)置為“內(nèi)部面”，這樣處理的結(jié)果是使得網(wǎng)格劃分變得易行。

圖3 計算區(qū)域Fig.3 Computational domain

2.2 網(wǎng)格劃分與數(shù)學(xué)模型

圖4給出了網(wǎng)格劃分的局部區(qū)域圖，由于實體較為規(guī)則，在計算中均采用了四面體網(wǎng)格。分別采用了3種不同的網(wǎng)格數(shù)進行了網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格進行了獨立化檢驗，最終采用如圖網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為190080個。

采用商用軟件FLENT 6.3進行計算，該求解器采用有限體積法，求解方程包括質(zhì)量、動量、能量守恒方程。求解時，氣相空間內(nèi)的流動當(dāng)做層流來處理。

圖4 局部網(wǎng)格Fig.4 Local mesh

3 結(jié)果分析與討論

3.1 實驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比分析

已有文獻［6］中提到，對于該油箱，需要VTE為1.3左右的惰性氣體量才能將各艙的氧濃度降到8%以下。

其中QNEA為進入多艙油箱的富氮氣體總流量，m3／s；VU為氣相空間體積，m3；t為時間，s。

此通風(fēng)量對應(yīng)下的進風(fēng)Re數(shù)約為700，為了后文的比較說明，實驗進風(fēng)和模擬的進口條件均取Re＝700來首先進行對比分析。

取高度上的中分面，得到該Re數(shù)下的速度分布等值圖，如圖5（b）所示，經(jīng)與等Re數(shù)下的實驗結(jié)果對比，可以看出，兩者的吻合程度很高。

為了進一步驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對Re為120的情形進行了實驗和數(shù)值求解，如圖6所示，兩者的速度分布的吻合程度也較為一致。

圖5 Re＝700時的實驗和模擬對比Fig.5 Comparison of experiment and simulation when Re＝700

另外，實測的出口風(fēng)速值與模擬的出口風(fēng)速值比較顯示，二者的誤差在3%左右，屬于工程計算能接受的誤差范圍。這從定性和定量兩個方面對本數(shù)值模擬給予了驗證，為后面數(shù)值模擬研究的開展提供了依據(jù)。

值得說明的是，模擬和實驗均為在原模型的1／6的基礎(chǔ)上得到。根據(jù)相似原理，取Re數(shù)為主導(dǎo)準(zhǔn)則數(shù)，在Re數(shù)相同的前提下，該數(shù)學(xué)模擬所計算的流動與原尺寸的流動幾何相似、運動相似、動力相似，故流動與全尺寸油箱相似。實驗和計算結(jié)果均視為針對全尺寸油箱等同。

圖6 Re＝120時的實驗和模擬對比Fig.6 Comparison of experiment and simulation when Re＝120

3.2 流量分配與各艙氧濃度分布

數(shù)值模擬給出的各艙流量分配如圖7所示。圖中標(biāo)出了氣流的流動方向和百分比。

圖7 各艙的流量分配示意圖Fig.7 Schematic diagram of the flow distribution

式中：QNEA為惰性氣體流量，m3／s；cIN為進入某艙的惰性氣體氧濃度；cOUT為流出某艙的惰性氣體氧濃度；xIN為進入某艙氣流的流量百分比；xOUT為流出某艙氣流的流量百分比。

（2）式描述的是：每個隔艙在t＋Δt時該艙的氧氣體積等于t時刻各單艙氧氣體積加上進入該隔艙的氧氣，減去流出該隔艙的氧氣體積。

再根據(jù)各隔艙的氧濃度

其中VUi為各隔艙的氣相空間體積，m3。

通過（1）式VTE和QNEA關(guān)系，可以得到各艙氧濃度和VTE的關(guān)系，如圖8所示。本計算中NEA的濃度為96%。

如圖8所示，隨著VTE的增加，各艙氧濃度均呈下降趨勢，其中3艙下降最為快速，1艙最為緩慢，這與文獻［6］的全尺寸實驗數(shù)值有著較高的一致性。除1艙外其余各艙達到8%時的VTE均小于等于1.3，而1艙達到這一數(shù)值的VTE要遠遠高于1.3，這應(yīng)該是由于采用的通風(fēng)方式不當(dāng)所致。

圖8 VTE對各艙氧濃度的影響Fig.8 Effect of VTE on oxygen concentration of each bay

3.3 平均氧濃度和最不利艙氧濃度

對于多艙的惰化效果的衡量，現(xiàn)有研究中有采用各艙按照面積比加權(quán)平均計算得到平均氧濃度的方法。這一方法對估算惰性氣體總體需求量方面的作用較為明顯。但是，對于多艙惰化，不應(yīng)忽略“最不利艙”帶來的不利影響和計算偏差。

所謂“最不利艙”是指在某種通風(fēng)方式下對多艙油箱進行惰化沖洗時達到要求氧濃度所需VTE最大值的艙。

為了進行對比研究，另擇兩種通風(fēng)方式進行了計算。Case2：6艙下側(cè)進，3艙、1艙左側(cè)出；Case3：5艙下側(cè)進，1艙右側(cè)出。圖9給出了3種通風(fēng)方式（Case1為前文提到的通風(fēng)方式）下各艙的平均氧濃度和最不利艙氧濃度的對比圖。

從圖中可以看出，各艙的平均值差別不大。而最不利艙值則有明顯差別。在Case2的通風(fēng)方式下，達到8%的最不利艙所需的VTE要達到2左右，大于其它兩種通風(fēng)方式。在對通風(fēng)選擇時，應(yīng)優(yōu)先考慮Case3的通風(fēng)方式。

圖9 平均氧濃度和最不利艙氧濃度Fig.9 Average oxygen concentration and oxygen concentration in the most unfavorable bay

4 結(jié) 論

實驗研究了一種民用飛機中心翼油箱內(nèi)部的通風(fēng)，實驗結(jié)果表明，自制的實驗設(shè)備、所選發(fā)煙材料等可以用于此類實驗的開展。一方面實驗獲取了不同Re數(shù)下整場的流動信息，另一方面，為該工作的數(shù)學(xué)模擬提供了較好的驗證平臺。

用商用軟件對該多艙油箱進行了三維、穩(wěn)態(tài)下的通風(fēng)模擬，模擬結(jié)果與實驗對比，顯示吻合較好。計算得到了各艙氣體流量的分配，為各艙用濃度的計算提供了計算基礎(chǔ)。

提出“最不利艙”的概念，認為應(yīng)與平均值結(jié)合作為多艙惰化效果衡量的依據(jù)。改變通風(fēng)方式，獲得了各艙氣體的分布，并進行了對比，得出Case3的通風(fēng)方式較好。文中的研究方法可以為通風(fēng)方式的優(yōu)化提供依據(jù)。

在今后的工作中，應(yīng)將氧逸出、油箱載油率等考慮在內(nèi)，以進一步細化深化該領(lǐng)域的研究工作。

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鹿世化（1977－），男，江蘇徐州人，副教授。研究方向：燃油箱惰化。通訊地址：南京市板倉街 78 號 （210016），電 話：13915908798，E－mail：lushihua＠njnu.edu.cn

A study on inert gas distribution in civil aircraft fuel tanks

LU Shi－h(huán)ua1，2，LIU Wei－h(huán)ua1，F(xiàn)ENG Shi－yu1，HUA Bin2
（1.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.School of Energy and Mechanical Engineering，Nanjing Normal University，Nanjing 210042，China）

A visual experiment was carried out to get the detail information of inert gas distribution in a Boeing 747center wing tank，the ratio of the experimental tank is 1／6and the smoke material is a special kind of fireworks.Three－dimensional numerical model was used to calculate the air distribution in multi－bays under the conditions of different Reynolds numbers.The numerical results agree well with the experimental measurements.Based on the discharge distribution coefficient，the oxygen concentration of each bay was obtained by the infinitesimal method.The inerting effect of three different ventilation methods were compared and analyzed.Presents a new concept of“the most unfavorable bay”and points out that it should be a non－ignorable factor for the design of multi－bay fuel tank inerting.The study could support the engineering design of the fuel tank inert and supply a theoretical base for the optimization of ventilation system.

visualization；fuel inerting；washing；discharge distribution；ventilation method；numerical simulation

V228；TQ021.4

A

1672－9897（2012）05－0061－04

2011－09－15；

2011－12－05

國家自然科學(xué)基金（50906066）；航空科學(xué)基金（2007zc52038）