民用飞机多舱油箱内惰性气体分布的研究

鹿世化，刘卫华，冯诗愚，华 斌

（1.南京航空航天大学 航空宇航学院，南京 210016；2.南京师范大学 能源与动力工程学院，南京 210042）

民用飞机多舱油箱内惰性气体分布的研究

鹿世化1，2，刘卫华1，冯诗愚1，华 斌2

（1.南京航空航天大学 航空宇航学院，南京 210016；2.南京师范大学 能源与动力工程学院，南京 210042）

针对某种通风方式，对1／6比例的波音747中心翼油箱内的气流分布进行了可视化实验，得到了该油箱内气流分布的详细信息。建立三维数值模型，对不同Re数下的多舱气流分布进行了计算，经与实验结果对比显示二者吻合较好。通过数值模拟得到了各舱的流量分配系数，采用微元段的计算方法得到了各舱氧浓度的分布。对3种不同通风方式下的惰化效果进行了对比研究，提出“最不利舱氧浓度”的概念，认为对多舱油箱进行惰化系统的设计时，这一因素不容忽略。该研究可为多舱油箱惰化工程设计提供相应的支持，为通风系统的优化提供理论依据。

可视化；燃油箱惰化；冲洗；流量分配；通风方式；数值模拟

0 引 言

1996年7月，环球航空公司800次航班坠毁，美国国家交通运输安全委员会（NTSB）认为事故的主要原因是中心翼油箱的爆炸造成的。此后，美国联邦航空管理局（FAA）进行了大量研究，试图消除或减少油箱内的可燃蒸汽，其中机载油箱惰化技术被认为是最行之有效的方法之一。该方法分为冲洗和洗涤，冲洗是将富氮气体（NEA）通入油箱上部气相空间，将其中的氧气和燃油蒸汽置换排出，使气相空间氧浓度达到所要求的极限氧浓度以下［1－4］。因为管路布置相对简单，燃油冲洗多用于民用客机油箱的惰化。

对于民机的多舱油箱惰化而言，最佳方法可以定义为用最少的惰性气体和最简单的方法使得各舱的氧气浓度达到给定值。通风系统是决定冲洗效果的重要因素，而此方面的研究无论是国外和国内都未得到充分的重视。文献［5］指出要想使得油箱内氧气的体积浓度达到8%，需要1.5～1.6倍体积的NEA95（氮气浓度95%，氧气浓度5%）。William M［6］建立了一个多隔舱的模型，用于在地面上研究惰性化方法的性能及缺陷。William M［7］还建立了飞行中的波音747中心翼油箱的数学模型，用于计算给定飞行周期和一定的惰性化系统性能条件下的油箱内的氧气浓度。国内有研究者［8］对单舱的油箱惰性化进行了研究，建立了冲洗过程的数学模型。高秀峰等人［9］的研究结果显示，气相体积换气次数随载油量增加而急剧上升，而总体积换气次数随着载油量成反比关系。

现有的文献分析表明，国内尚未开展对多舱惰化系统的研究，而在国外的研究中，研究者在面对多舱惰化问题时，往往首先指定某种通风方式，并针对该通风方式进行研究［6－7］，并没有针对不同的通风方式进行比较和优化研究。

笔者以波音747中心翼油箱为例，用实验和数值模拟两种手段研究了不同通风方式下各舱的惰化效果，以期为多舱油箱惰化系统的设计提供参考。

1 实 验

图1（a）为波音747油箱结构的立体示意图，从图中可以看出该油箱被挡板分为6个隔舱。在未满载的情况下，油箱的下部为油，上部为气相空间，由氧气、氮气以及油的蒸汽组成。气相空间即上文提到的冲洗空间，也是气体流动的空间。这里油箱为空油箱。油箱大小：长×宽×高＝6.36m×6m×1.32m，各隔舱体积百分比分别为：1舱：31%，2舱：23%，3、4舱：10%，5、6舱：13%。进、出口和各舱间的通气口的面积相同，均为7.8×10－3m3。

为了与已有研究进行对比，首先选用图1（b）所示的通风方式，即富氮气体从3舱进入，从1舱、6舱流出。

图1 波音747油箱结构及通风示意图Fig.1 Boeing 747fuel tank structure and one ventilation method

建立实验装置如图2所示。气相空间模型大小为实际尺寸的1／6，四周材料为胶合板，上面为有机透明玻璃板。风机和导流风管之间用软接，软接的使用使得更换不同功率的风机变得方便，从而可获取不同的进风风速。将发烟物放置于发烟盒内，待发烟稳定之后置于导流风管的下方入口，依靠气流的流动，烟雾进入流动空间，从而获得整场的流动信息。高速摄像机用于监控和记录整个实验过程中的流场信息。

如何选用适合的发烟材料是本实验要解决的首要问题。在试用了稀盐酸、香烛、干冰［10］等材料后，采用了一种用于制造白色烟雾的烟花作为发烟材料。该材料的优点是发烟稳定、持续性好。由于发烟为白色烟雾，笔者将实验空间的底部设置为黑色，这样做的目的在于使得图像采集的效果更好。

图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment

当流动处于稳定状态时，在进风处和出风处采用手持风速仪对进出口风速进行测定。风速仪为热敏风速仪，型号为TESTO425，测量范围为0～20m／s，测量精度为±0.03m／s。该款风速仪探头较小，这可以在很大程度上降低因植入物带来的流场干扰。

2 数值模拟

2.1 计算区域与边界条件

计算区域如图3所示，大小与实验装置尺寸一致，为实际油箱大小的1／6，即长、宽、高分别为1.06m、1m、0.22m。左侧为单一进风口，边界条件设定为速度入口；右侧两出风口设置为压力出口。四周以及上下两个围合面均设置作为普通的“墙”对待。内部隔板也设置为“墙”，隔板上的孔口设置为“内部面”，这样处理的结果是使得网格划分变得易行。

图3 计算区域Fig.3 Computational domain

2.2 网格划分与数学模型

图4给出了网格划分的局部区域图，由于实体较为规则，在计算中均采用了四面体网格。分别采用了3种不同的网格数进行了网格划分，并对网格进行了独立化检验，最终采用如图网格，网格数目为190080个。

采用商用软件FLENT 6.3进行计算，该求解器采用有限体积法，求解方程包括质量、动量、能量守恒方程。求解时，气相空间内的流动当做层流来处理。

图4 局部网格Fig.4 Local mesh

3 结果分析与讨论

3.1 实验结果与计算结果的对比分析

已有文献［6］中提到，对于该油箱，需要VTE为1.3左右的惰性气体量才能将各舱的氧浓度降到8%以下。

其中QNEA为进入多舱油箱的富氮气体总流量，m3／s；VU为气相空间体积，m3；t为时间，s。

此通风量对应下的进风Re数约为700，为了后文的比较说明，实验进风和模拟的进口条件均取Re＝700来首先进行对比分析。

取高度上的中分面，得到该Re数下的速度分布等值图，如图5（b）所示，经与等Re数下的实验结果对比，可以看出，两者的吻合程度很高。

为了进一步验证数值模拟的准确性，对Re为120的情形进行了实验和数值求解，如图6所示，两者的速度分布的吻合程度也较为一致。

图5 Re＝700时的实验和模拟对比Fig.5 Comparison of experiment and simulation when Re＝700

另外，实测的出口风速值与模拟的出口风速值比较显示，二者的误差在3%左右，属于工程计算能接受的误差范围。这从定性和定量两个方面对本数值模拟给予了验证，为后面数值模拟研究的开展提供了依据。

值得说明的是，模拟和实验均为在原模型的1／6的基础上得到。根据相似原理，取Re数为主导准则数，在Re数相同的前提下，该数学模拟所计算的流动与原尺寸的流动几何相似、运动相似、动力相似，故流动与全尺寸油箱相似。实验和计算结果均视为针对全尺寸油箱等同。

图6 Re＝120时的实验和模拟对比Fig.6 Comparison of experiment and simulation when Re＝120

3.2 流量分配与各舱氧浓度分布

数值模拟给出的各舱流量分配如图7所示。图中标出了气流的流动方向和百分比。

图7 各舱的流量分配示意图Fig.7 Schematic diagram of the flow distribution

式中：QNEA为惰性气体流量，m3／s；cIN为进入某舱的惰性气体氧浓度；cOUT为流出某舱的惰性气体氧浓度；xIN为进入某舱气流的流量百分比；xOUT为流出某舱气流的流量百分比。

（2）式描述的是：每个隔舱在t＋Δt时该舱的氧气体积等于t时刻各单舱氧气体积加上进入该隔舱的氧气，减去流出该隔舱的氧气体积。

再根据各隔舱的氧浓度

其中VUi为各隔舱的气相空间体积，m3。

通过（1）式VTE和QNEA关系，可以得到各舱氧浓度和VTE的关系，如图8所示。本计算中NEA的浓度为96%。

如图8所示，随着VTE的增加，各舱氧浓度均呈下降趋势，其中3舱下降最为快速，1舱最为缓慢，这与文献［6］的全尺寸实验数值有着较高的一致性。除1舱外其余各舱达到8%时的VTE均小于等于1.3，而1舱达到这一数值的VTE要远远高于1.3，这应该是由于采用的通风方式不当所致。

图8 VTE对各舱氧浓度的影响Fig.8 Effect of VTE on oxygen concentration of each bay

3.3 平均氧浓度和最不利舱氧浓度

对于多舱的惰化效果的衡量，现有研究中有采用各舱按照面积比加权平均计算得到平均氧浓度的方法。这一方法对估算惰性气体总体需求量方面的作用较为明显。但是，对于多舱惰化，不应忽略“最不利舱”带来的不利影响和计算偏差。

所谓“最不利舱”是指在某种通风方式下对多舱油箱进行惰化冲洗时达到要求氧浓度所需VTE最大值的舱。

为了进行对比研究，另择两种通风方式进行了计算。Case2：6舱下侧进，3舱、1舱左侧出；Case3：5舱下侧进，1舱右侧出。图9给出了3种通风方式（Case1为前文提到的通风方式）下各舱的平均氧浓度和最不利舱氧浓度的对比图。

从图中可以看出，各舱的平均值差别不大。而最不利舱值则有明显差别。在Case2的通风方式下，达到8%的最不利舱所需的VTE要达到2左右，大于其它两种通风方式。在对通风选择时，应优先考虑Case3的通风方式。

图9 平均氧浓度和最不利舱氧浓度Fig.9 Average oxygen concentration and oxygen concentration in the most unfavorable bay

4 结 论

实验研究了一种民用飞机中心翼油箱内部的通风，实验结果表明，自制的实验设备、所选发烟材料等可以用于此类实验的开展。一方面实验获取了不同Re数下整场的流动信息，另一方面，为该工作的数学模拟提供了较好的验证平台。

用商用软件对该多舱油箱进行了三维、稳态下的通风模拟，模拟结果与实验对比，显示吻合较好。计算得到了各舱气体流量的分配，为各舱用浓度的计算提供了计算基础。

提出“最不利舱”的概念，认为应与平均值结合作为多舱惰化效果衡量的依据。改变通风方式，获得了各舱气体的分布，并进行了对比，得出Case3的通风方式较好。文中的研究方法可以为通风方式的优化提供依据。

在今后的工作中，应将氧逸出、油箱载油率等考虑在内，以进一步细化深化该领域的研究工作。

［1］WILLIAM M C.Developing a fuel－tank inerting system［R］.Washington D.C.，USA：Office of Aviation Research，2005：20－23.

［2］王小平，肖再华.飞机燃油箱氮气惰化的机理分析及应用［J］.航空科学技术，2008，（8）：24－26.

［3］WILLIAM M C.The effect of fuel on an inert ullage in a commercial transport airplane fuel tank［R］.DOT／FAA／AR－05／25.Washington，D.C.，USA：Office of Aviation Research，2005.

［4］刘小芳，刘卫华.飞机供氧和燃油箱惰化技术概况［J］.北华航天工业学院学报，2008，18（3）：4－7.

［5］MICHAEL B，WILLIAM M C.Inerting of a vented aircraft fuel tank test article with nitrogen enriched air［R］.FAA Report DOT／FAA／AR－01／6，2001.

［6］WILLIAM M C.Modeling inert gas distribution in commercial transport aircraft fuel tanks［R］.AIAA Conference Paper 2002－3032，2001.

［7］WILLIAM M C.Modeling in－flight inert gas distribution in a 747center wing fuel tank［R］.Toronto city，Canada：American Institute of Aeronautics and Astronautics，2005：35－42.

［8］汪明明，冯诗愚，蒋军昌，等.飞机燃油箱冲洗与洗涤惰化技术比较分析［J］.南京航空航天大学学报，2010，42（5）：614－619.

［9］高秀峰，刘卫华，熊斌，等.燃油箱冲洗惰化过程理论研究［J］.西安交通大学学报，2010，44（9）：16－20，114.

［10］鹿世化，刘卫华，余跃进，等.翅片管换热器内部空气流场的数值模拟与实验研究［J］.化工学报，2010，61（6）：1367－1372.

鹿世化（1977－），男，江苏徐州人，副教授。研究方向：燃油箱惰化。通讯地址：南京市板仓街 78 号 （210016），电 话：13915908798，E－mail：lushihua＠njnu.edu.cn

A study on inert gas distribution in civil aircraft fuel tanks

LU Shi－hua1，2，LIU Wei－hua1，FENG 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

国家自然科学基金（50906066）；航空科学基金（2007zc52038）