影响飞机燃油箱惰化系统参数的数值研究

黄光容,何亚平,牛 奕,汪 箭＊

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026;2.澳大利亚西悉尼大学)

影响飞机燃油箱惰化系统参数的数值研究

黄光容1,何亚平2,牛 奕1,汪 箭1＊

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026;2.澳大利亚西悉尼大学)

选取单个飞机燃油箱,运用CFD方法模拟了燃油箱惰化系统的惰化过程。CFD方法的模拟结果与文献中的理想混合模型及经验公式吻合较好。通过模拟,发现增加富氮气体的流量、提高富氮气体中的氮气含量可以缩短惰化时间,而增加富氮气体喷嘴直径和燃油箱的体积则会延长惰化时间。其他参数如燃油箱的形状和富氮气体喷嘴位置对惰化时间没有明显的影响,但是影响燃油箱内部的氧气浓度分布。

惰化;富氮气体;CFD;纯度;直径

0 引言

1996年环球航空公司800航班由于燃油箱中线路短路而造成飞机失事,由此引起了专家学者对于飞机燃油箱惰化系统的研究[1-4]。飞机在地面时,燃油箱中液面以上的气相空间的氧气浓度为21%,飞机在爬升过程中由于压力的降低而使得溶解在燃油中的氧气被析出,此时的氧气浓度大于21%,当氧气与燃油的挥发蒸汽混合,在有点火源的情况下极易发生燃烧或是爆炸[5]。减少或消除燃油箱燃烧爆炸危险性的一个有效方法是使用惰性气体对燃油箱进行冲洗,以使燃油箱的氧气浓度低于其燃烧极限[6-8]。相对于CO2和氦气等惰性气体,氮气更容易制备,所以在飞机燃油箱的惰化过程中采用了富氮气体(即掺有少量氧气的氧氮混合气体(NEA))对燃油箱进行冲洗,这个过程称为惰化[9-14]。当燃油箱中气相空间的氧气浓度低于9%时,燃油箱在有点火源或是炮弹打击的情况下不会发生燃烧或是爆炸[15]。影响惰化过程的参数很多,Burns通过实验设计一系列的参数,包括NEA气体的流量,纯度,烃类气体的浓度以及温度等对惰化过程的影响[16],但是对于其他的因素,比如燃油箱的属性参数,气体喷嘴参数等却没有详细研究。飞机燃油箱安全是保障飞机安全的一个重要的因素,本文在前人的基础上,运用CFD方法研究了NEA气体的属性参数,如流量及纯度等,燃油箱的形状及体积,NEA气体喷嘴的位置及直径大小等,通过模拟研究,完善了前人对于燃油箱惰化系统的研究。

术语Cv 方差系数喷嘴直径(m)dv 出气口直径 (m)D d立方体油箱油箱边长 (m)N总的单元数P压力(pa)Qm NEA气体的质量流量(kg/s)扩散系数(kg/m2·s)E体积置换G方差L

温度(K)u,v,w 在x,y,z方向速度V速度矢量W油箱体积(m 3)希腊字母α体积置换率β惰化率φ t时刻的平均氧气浓度β a 环境氧气浓度φ i N E A氧气浓度η热传导系数(W/m 2 K)μ粘性系数 (k g/m s)ρ密度(k g/m 3)下标a环境j网格节点k组分系数T

1 CFD方法及无量纲参数

1.1 基本控制方程

质量守恒方程:

动量守恒方程:

惰化过程中没有化学反应,因此组分输运方程如下

能量守恒方程为:

在燃油箱惰化过程中,气体的运动速度较大,属

: 于湍流运动,而 k-ε模型在模拟湍流运动时能够较好捕捉过程,所以应用标准的 k-ε模型;重力方向为y的负方向,数值大小为9.81s/m2。气体混合物为不可压缩理想气体。由于燃油蒸汽相对于NEA气体的喷射量非常少,基本不对惰化过程产生影响[16],所以燃油蒸汽忽略不计。同时燃油与气相的交界面作为研究对象的边界。

1.2 网格及无量纲参数

1.2.1 研究系统

燃油箱的基本条件如下:一个长宽高均为1米的立方体假定为燃油箱并作为研究对象,一个NEA气体进口和一个气体出口,底面假定为燃油箱中液相与气相的交界面。如图1所示:

图1 燃油箱尺寸及结构Fig.1 The dimensions of the fuel tank

其中,体积置换率(表示单位时间的体积置换,定义为:

1.2.2 网格

如图2中所示的燃油箱惰化系统的进气口、出气口和其余位置采用不同的网格密度,对其中的进气口和出气口应用三角形网格,并进行了加密,进出口旁边采用网格逐步加密的方式,非进出口位置采用四边形网格。

1.2.3 无量纲参数

为了便于分析计算结果,引入两个无量纲参数:第一个是体积置换,E,定义为喷入的NEA气体总量与燃油箱体积的比率:

第二个无量纲参数为惰化率,其定义为:

图2 油箱网格系统Fig.2 The grid system of the tank

Burns和Cavage通过假定惰化过程中惰化气体喷入油箱后即时混合均匀,得到惰化率与体积置换有以下关系[16]:

同时他们假定NEA气体纯度是唯一的变量,并通过做实验得到了他们的经验关系式如下:

2 CFD计算过程

本文首先对网格独立性进行了分析,本文共选取3组不同的网格尺寸,其取值如如表1所示。

表1 网格独立性分析Table 1 The analysis of mesh sensitiveness

其次,本文主要考虑了以下可能影响惰化系统惰化过程的因素:

1)NEA气体的属性

NEA气体的浓度不同对对惰化过程的影响,如表2中A系列所示。

NEA气体喷射流量不同对惰化过程的影响,其参数如表2中系列B所示。

NEA气体的流量和油箱体积同时变化,如表2中C系列所示。

2)油箱的体积和形状

油箱的形状为圆柱形、立方形与长方体,同时,他们的体积大小一样,均为1m3

油箱为立方体,体积变化过程中即为立方体边长的增加,如表2中D系列所示。

3)NEA气体喷嘴的位置及直径

位置如图3所示,NEA气体喷嘴的位置分别在角落(图3(a)),左边(图3(b))和中央(图 3(c)),考虑这三种情况下对惰化过程的影响。

NEA气体喷嘴直径不同对惰化过程的影响,如表2中的E系列所示。

图3 不同的NEA喷嘴位置Fig.3 Different inlet nozzle locations

表2 参数取值Table 2 The parameters

C 0.001～5.832 - 5 0 0.01 0 0.06 0 1～1.8 0.2 D 0.006 0 5 0 0.01 0 0.06 0 1～2 0.2 E 0.001 0 5 0 0.005,0.015 0.01～0.06 0.01 0.06 0 1 0

3 结果及分析

3.1 网格独立性分析

从图4可以看出,当对进气口,出气口和其余位置采用不同的网格密度时,氧气浓度随时间的变化曲线基本不变,说明在计算的精度要求范围内,网格尺寸基本不影响计算结果,综合考虑计算的精度和计算成本,本文选用case 2中所示的网格密度。

图4 氧气浓度随时间的变化曲线Fig.4 Variation of O2concentration in the tank at different time

3.2 NEA气体属性对惰化过程的影响

图5 当 NEA气体纯度不同时,氧气浓度的变化Fig.5 Variation of O2concentration in the tank at different NEA purities

3.2.1 NEA气体纯度变化

从图5可以看出,在流量等其他条件不变时,增加NEA气体的纯度,惰化所需要的时间减少。

图6 CFD结果与理想混合模型和经验公式对比Fig.6 Volumetric tank exchange versus tank inerting ratio for different NEA purities:Comparisons with different models

将图5中的结果换成无量纲参数可得到图6,从图6可以看出,当 NEA气体纯度不同时,其体积置换与惰化率曲线重合为一条曲线,如图中曲线A所示。并将CFD的结果与理想混合模型(式10)和Burns的经验公式(式11)进行比较,发现他们吻合程度较好。由此可以证明CFD能够比较准确地模拟惰化过程中氧气浓度的变化。

图7 当NEA射流流量不同时油箱氧气浓度的变化曲线Fig.7 V ariation of O2concentration in the tankat different NEA(95%N2)injection rates at left middle nozzle location

3.2.2 NEA气体流量变化

从图7可以看出,当增加惰化气体的流量时,达到惰化要求所需要的时间逐渐减少,流量与惰化时间基本成反比关系。

图8 当NEA气体的射流率不同时体积置换与惰化率的关系Fig.8 V olumetric tankexchange versus tank inerting ratio for different injection rates

图8是将图7中结果转化为无量纲参数而得,如图8所示,当NEA气体的射流率不同时,不同流量的体积置换与惰化率曲线基本重合。并且,CFD的结果与Burns的理想混合模型结果吻合较好。

从图9中可以看出,当燃油箱的体积与NEA气体的流量的比值相同时,氧气浓度与时间的曲线基本重合,这说明,当NEA气体流量与油箱体积以相同比值变化时,不会对惰化过程产生影响。

图9 当 NEA气体流量与燃油箱体积成比例变化时,油箱中氧气浓度与时间的关系Fig.9 Tank oxygen concentration versus time when the volume and the flowrate is in proportion

3.3 容器体积及形状对惰化过程的影响

3.3.1 燃油箱体积变化时

从图10可以看出,增加油箱的体积,则达到惰化的时间越长。

图10 当燃油箱的体积不同时,氧气浓度的变化Fig.10 Variation of O2concentration for different tank volumes

3.3.2 燃油箱形状变化时

如图11所示,当燃油箱的形状不同而总的体积保持不变的时候,氧气浓度与时间的曲线基本重合,说明燃油箱不会对惰化过程产生影响。

图11 当油箱的体积相同不同形状时,惰化时间与氧气浓度的关系Fig.11 Tank oxygen concentration versus time for different geometries of the tank

3.4 NEA气体喷嘴的位置及直径大小对惰化过程的

3.4.1 NEA气体喷嘴位置

从图12可以看出,当NEA气体喷嘴的位置不同时,比如角落(left corner)、左边(left middle)、中央(middle),氧气浓度与时间的曲线基本重合,说明喷嘴位置不同基本不对惰化过程产生影响。

图13为750s时,Z=0.5m的平面上氧气浓度为15%和14.5%的等值线图,从中可见,氧气浓度的分布因为NEA气体喷嘴的位置不同而不同。喷嘴在中央时,等值线图分布在底部;喷嘴在左边时,等值线图在其流动方向的平行位置;而喷嘴在角落时,等值线图分布不是很有规律。为了查看这三种情况的氧气浓度均匀度,特引入方差系数 Cv:

图12 NEA气体喷嘴在不同位置时惰化时间与氧气浓度的关系Fig.12 Tank oxygen concentration versus time at different locations of the nozzle

方差系数代表变量的离散程度,方差系数越小,则表明越均匀,用 Cv1,Cv2,Cv3分别代表角落,左边,中央时氧气浓度的方差系数,经过计算得到 Cv1=0.02,Cv2=0.0066,Cv3=0.0199,可以看出 ,当喷嘴在左边的时候,氧气浓度的分布比在中央和角落更均匀,而后面两种情况的分布基本一致。

图13 在750s时不同喷嘴位置时z=0.5m平面上氧气浓度分布图Fig.13 The O2distribution at the slicez=0.5mat 750s

3.4.2 NEA气体直径大小

由图14可以看出,当NEA气体喷嘴的直径不一样时,氧气浓度与惰化时间并不重合。当NEA气体喷嘴时0.01m时,惰化时间约为1890s,而当直径为0.02m时,惰化时间约为2700s。.在理想混合模型(式10)中,并没有包含喷嘴直径这个参数,所以理想混合模型不能反映NEA气体喷嘴直径变化对惰化过程的影响。如图14中,当直径不同时,对于理想混合模型,氧气浓度与时间仅为汇成一条直线。

图14 当NEA气体喷嘴不同时,氧气浓度与惰化时间的关系图Fig.14 Oxygen concentration with different inlet nozzle diameters

图15为油箱y方向上不同截面的氧气浓度随时间的变化图,从图15可以看出,当 d=0.01m时,在油箱的y方向上的每一个间距为0.1m的面上,氧气浓度分布较为均匀,基本不随时间的变化而变化;而当 d=0.06m时,氧气浓度在竖直面上的各个层上氧气浓度随时间变化较大,出现了明显的分层现象,而在理想混合模型中假设每时每刻都是混合均匀的,显然,这与实际情况不符。所以理想混合模型需要进一步修改才能与实际情况相符。

4 结论与讨论

本文运用CFD方法,分析对惰化过程可能产生影响的参数。本文首先将CFD的模拟结果与文献中的理想混合模型和经验公式进行对比,发现CFD方法与其他模型及方法吻合很好,并分析了NEA气体的流量,纯度,燃油箱的体积和NEA气体喷嘴的位置及直径等参数对惰化过程的影响。结果发现,增加NEA气体的流量和纯度能减少惰化时间;增加燃油箱的体积和NEA气体的直径则延长惰化时间;燃油箱的形状,NEA气体的喷嘴位置基本不对惰化过程产生影响,但影响其内部氧气浓度的分布及均匀度。ENA气体流量、纯度和燃油箱的体积对惰化过程的影响均与文献中的理想混合模型吻合的很好,但是该模型中并没有包含直径对惰化过程的影响,对于这个情况,需进行进一步的研究。

图15 不同时刻在y方向上不同平面的氧气浓度分布Fig.15 Oxygen concentration on y plane as time increases

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Numerical research on the parameters influencing the inerting process of aircraft fuel tank

HUANG Guang-rong1,HE Ya-ping2,NIU Yi1,WANGJian1

(1.State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei,Anhui,230026,China;2.School of Engineering,University of Western Sydney)

A single vented tank is used in CFD numerical simulations to study the factors that affect the inerting process.The considered factors include the flow rate,purity of the NEA,diameter of the nozzle,geometry of the tank,location of the nozzle and so on.The calculated tendency of the tank inerting ratio varying with the volumetric tank exchange agrees well with the empirical curve and the exact solutions by the other researchers.The inerting time would be decreased by increasing the flow rate and the purity of the NEA,or by decreasing the diameter of the nozzle and the volume of the tank.The geometry of the tank and the location of the nozzle have little influence on the inerting process,however,the distribution of the O2 concentration could be obviously affected by these factors.

Fuel tank;Aircraft;Inerting;NEA;CFD

O61

A

1004-5309(2011)-0117-08

2011-03-07;修改日期:2011-03-29

黄光容(1984.8-),女,硕士,研究方向为计算机数值模拟。

汪箭,教授,E-mail:wangj@ustc.edu.cn.