民機(jī)供水系統(tǒng)空氣管路傳熱計(jì)算研究

朱翀 雷美玲 肖世旭 張雪蘋 馬巖

【摘 要】供水系統(tǒng)是民用客機(jī)中不可缺少的重要系統(tǒng)。在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，空氣管路設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)部分。由空氣管路導(dǎo)入水箱的高壓氣體溫度將會直接決定著水箱內(nèi)的水溫。本文以某型民機(jī)供水系統(tǒng)空氣管路作為研究對象，采用Flowmaster管網(wǎng)系統(tǒng)對空氣管路的傳熱性能進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證空氣管路的傳熱性能。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；供水系統(tǒng)；空氣管路；傳熱計(jì)算

中圖分類號： V223.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）13-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.019

民機(jī)供水系統(tǒng)[1]是在機(jī)內(nèi)貯藏并提供足夠量的水，為機(jī)上廚房及盥洗室提供飲用水、冷熱盥洗用水和馬桶沖洗用水，以滿足乘客機(jī)上生活的需要。

供水系統(tǒng)將水貯藏在水箱中，通過增壓方式將水通過管路輸送到廚房與盥洗室供使用。目前民機(jī)供水系統(tǒng)主流的增壓方式是以氣源系統(tǒng)引氣增壓為主，配套空氣壓縮機(jī)增壓為輔，該種增壓方式在CRJ700/900、ERJ170/190、B737均有應(yīng)用。從氣源系統(tǒng)引氣用于為供水系統(tǒng)增壓同時(shí)也帶來一個(gè)問題，即氣源系統(tǒng)內(nèi)高壓氣體都是高溫氣體。

從氣源系統(tǒng)將高溫高壓氣體引入供水系統(tǒng)水箱的管路一般可稱為供水系統(tǒng)空氣管路（以下簡稱空氣管路），空氣管路內(nèi)的高溫氣體會對空氣管路布置、供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)都提出要求。本文以某型民機(jī)供水系統(tǒng)空氣管路的傳熱計(jì)算為例進(jìn)行研究，為空氣管路布置、供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算方法

FLOWMASTER軟件基于網(wǎng)絡(luò)流體算法，該方法特點(diǎn)是將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解成由相應(yīng)元件和節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，用有限的元件和流動介質(zhì)類型描述各種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)采用質(zhì)量守恒原理和節(jié)點(diǎn)壓力殘量修正法計(jì)算，具有良好的通用性和可操作性，且按穩(wěn)定性和收斂性也較好，可用來建立空氣管路的模型，計(jì)算出各個(gè)元件及節(jié)點(diǎn)的溫度、流量等性能參數(shù)。同時(shí)，F(xiàn)LOWMASTER具有豐富的元件數(shù)據(jù)庫，每個(gè)元件都有各自的數(shù)學(xué)模型，并具有相應(yīng)的輸入輸出和特征參數(shù)。在民機(jī)供水系統(tǒng)空氣管路傳熱計(jì)算中用到了FLOWMASTER軟件[2]中的直管模型與壓力源模型，其中直管模型用于模擬空氣管路的流動與傳熱，壓力源模型用于模擬空氣管路一段的氣源入口與水箱出口。

2 計(jì)算模型與計(jì)算條件

供水系統(tǒng)空氣管路是連接氣源系統(tǒng)與供水系統(tǒng)水箱的一段管路，用于將氣源系統(tǒng)內(nèi)的高溫高壓氣體引入到供水系統(tǒng)水箱內(nèi)，為整個(gè)供水系統(tǒng)增壓。同時(shí)空氣管路還擔(dān)負(fù)著散熱以降低增壓氣體到達(dá)水箱時(shí)的溫度。

本文以某型民機(jī)供水系統(tǒng)空氣管路作為研究對象。該型民機(jī)氣源系統(tǒng)總管位于機(jī)尾球面框之后，因此供水系統(tǒng)空氣管路從球面框之后的氣源總管始，進(jìn)入球面框后繼續(xù)向前直至到達(dá)水箱。球面框之后為非溫控、非氣密區(qū)，球面框之前為氣密區(qū)，根據(jù)空氣管路途徑的周圍環(huán)境區(qū)別，將空氣管路分為兩段，一段為氣源系統(tǒng)總管到球面框段（非溫控、非氣密區(qū)內(nèi)，稱為A段），一段為球面框到水箱段（氣密區(qū)，稱為B段）。由于空氣管路B段位于氣密區(qū)，其布置位置受到限制，因此其長度基本是固定的，經(jīng)估算其長度約為8m；而空氣管路A段位于非溫控、非氣密區(qū)，其布置相對靈活，長度可以調(diào)整。根據(jù)以上分析，建立如圖1所示的空氣管路傳熱計(jì)算模型。

空氣管路的傳熱除了與管路自身的布置有關(guān)外，還與管路內(nèi)的熱流量與周圍環(huán)境溫度有關(guān)。管路內(nèi)的熱流量是由管路內(nèi)空氣流量與溫度共同決定的，而管路內(nèi)空氣流量又是由氣源總管內(nèi)壓力與水箱內(nèi)壓力共同決定的。管路內(nèi)空氣流量是一個(gè)變化的值，在從氣源系統(tǒng)總管剛開始引氣到最終穩(wěn)定狀態(tài)，管路內(nèi)流量是由大變化小的，本文選取剛開始引氣階段（狀態(tài)一）與引氣穩(wěn)定階段（狀態(tài)二）作為計(jì)算工況，狀體A中氣源端壓力為45psi、水箱端壓力為14.7psi，狀體B中氣源端壓力為45psi、水箱端壓力為42psi。

周圍的環(huán)境溫度對空氣管路的傳熱也有著非常大的影響，本文選取空氣管路最惡劣工況作為計(jì)算狀態(tài)，非氣密區(qū)環(huán)境溫度為50℃，氣密區(qū)環(huán)境溫度為25℃。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

空氣管路狀態(tài)一、狀態(tài)二的傳熱計(jì)算結(jié)果分別見表1與表2。

由表1、表2中的空氣管路傳熱計(jì)算結(jié)果可知，在周圍環(huán)境溫度一定的條件下，A段管路長度越長，空氣管路水箱端溫度越低，即空氣管路的散熱效果越好。可以看出在同樣工況下雖然A段管路長度的增加使管路內(nèi)流量變小，但是由于增加了空氣管路與周圍環(huán)境的傳熱接觸面，總體來說同樣工況下A段管路長度的增加更有利于空氣管路的散熱。

圖2為空氣管路狀態(tài)一與狀態(tài)二計(jì)算結(jié)果的比較，由圖可知在A段管路同樣長度的條件下，狀態(tài)一空氣管路水箱端溫度遠(yuǎn)高于狀態(tài)二空氣管路水箱端溫度。說明在同樣的管路長度下管路內(nèi)流量較小時(shí)，管路的傳熱效率更高。也說明了對于空氣管路傳熱問題，狀態(tài)一是比狀態(tài)二更為嚴(yán)酷的工況。

根據(jù)供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為了保證水箱內(nèi)水的衛(wèi)生狀況，需保持水溫不超過60℃。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，為了滿足水溫的要求，空氣管路A段的長度至少應(yīng)達(dá)到7m。

4 結(jié)語

本文以某型民機(jī)供水系統(tǒng)空氣管路作為研究對象，提出了采用Flowmaster管網(wǎng)系統(tǒng)對空氣管路的傳熱性能進(jìn)行計(jì)算的方法。根據(jù)該方法的計(jì)算結(jié)果可知空氣管路的長度對其傳熱性能具有較大的影響。為了滿足水箱內(nèi)水溫的要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須對空氣管路進(jìn)行傳熱性能計(jì)算，以保證由空氣管路進(jìn)入水箱的高壓氣體溫度在適當(dāng)范圍內(nèi)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]雷美玲.新型民用客機(jī)水系統(tǒng)選型研究[J].航空工程進(jìn)展，2012，3（2）： 229-234.

[2]黃小玲.基于FLOWMASTER的疊壓供水仿真研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2009.