基于CFD的飛機機載滅火系統性能仿真

梁文劍 閆偉偉 孔雪 黃小彬

摘要：飛機機載滅火系統性能仿真可有效提高系統設計與驗證的效率，減少研制過程的反復。本文分析飛機機載高速滅火系統性能需求，提出管網計算結合CFD分析的思路。以某型飛機發動機艙滅火系統為例，將飛機機載高速滅火系統劃分為管網系統及噴射系統兩個部分，采用工程經驗結合CFD仿真技術，進行系統性能仿真分析研究。根據試驗對比，仿真分析與試驗結果一致性較好，可有效支持飛機機載滅火系統的研制。

關鍵詞：機載高速滅火系統; CFD分析; 滅火管網; 滅火劑濃度

1 ? 引言

飛機在飛行中出現火災會嚴重危害到飛行安全，一旦火災失控勢必造成機毀人亡的重大事故。現代飛機對安全性提出了很高的要求，無論從適航要求還是相關頂層標準規范，對飛機機載滅火系統都有嚴格的設計要求。機載滅火系統作為飛機著火后的最后一道安全保障，需要快速有效滅火將危害控制到最小[1]。

目前，國內外飛機機載滅火系統一般采用鹵代烷氣體滅火系統，其中應用最廣泛的是halon1301固定式滅火系統。為了有效撲滅機上火災，要求滅火系統在啟動后能夠快速噴射滅火劑，迅速達到滅火濃度并保持一定的持續時間，達到滅火效果 [2]。

目前飛機機載滅火系統研制的方案階段一般參考設計經驗采用保守設計的方式確定主要設計參數。在研制過程中對設計方案進行試驗驗證，并根據試驗結果適當進行設計優化。這種方式導致系統研制周期過長，系統各項設計指標比較保守，系統重量代價大。

由于機載高速滅火系統的滅火劑噴射是一個復雜的多相流過程，在工程實踐中對系統進行準確的建模，計算分析系統各主要零部件的性能具有較大的難度。

2 ? 機載滅火系統簡介

飛機機載高速滅火系統一般包括發動機艙滅火系統、輔助動力裝置艙滅火系統、行李艙滅火系統等。系統設計需要保證高可靠性、高效性、低重量成本。系統一般采用分布式布局，根據功能需求設置成多個獨立系統，并對關鍵部件采用適當的冗余設計。

從系統組成來看，機載滅火系統一般包括：高壓滅火器、釋放機構、流向閥、輸送管路、噴嘴等。[3]

3 ? 總體思路

機載高速滅火系統每次滅火均為一個滅火瓶向一個單獨的失火區域進行噴射。從性能分析的角度，可對各獨立小系統分別建模進行計算分析。考核滅火系統性能的最終指標是噴射滅火劑時相應失火區域內的滅火劑濃度場。相關標準規范規定滅火系統噴射后滅火區域內的滅火劑體積濃度應達到6%并持續0.5秒以上。

滅火系統啟動時，滅火劑在滅火瓶劑管網系統中屬于氣液兩項的劇烈變化過程。滅火劑從噴嘴噴射進入火區后，絕大部分滅火劑完成氣化，此時主要運動為滅火劑在空氣中的擴散和摻混。由于滅火劑在管網中的高速流動和相變過程不易進行CFD建模仿真。本文計算滅火劑系統性能的方案是，將滅火系統性能計算分為兩個部分分別進行：管網性能計算和滅火劑擴散濃度場計算。通過工程經驗方法計算滅火劑管網的壓力和流量，作為滅火劑濃度場計算的輸入，采用CFD方法對火區內滅火劑濃度場進行仿真。

管網性能計算部分采用鹵代烷1301滅火系統經驗計算方法，以中期壓力作為計算點，建立滅火系統管網性能計算模型，求解出管網系統中相關節點的滅火劑壓力、流量等，分析計算結果并調整管網設計以實現設計優化。滅火劑濃度場CFD仿真分析以管網性能數值計算結果作為輸入，對滅火劑噴射后火區內的滅火劑濃度場、流場進行仿真，分析滅火效果得到滅火系統性能特性。

4 ? 性能計算

4.1 ?管網計算

滅火管網中期狀態算法是一個設計算法，基本原理是：以估算的中期壓力作為計算點，建立滅火系統管網模型，設置多個節點將管網劃分為多個管段，以滅火瓶為起點，逐點求解各節點壓力，得到噴嘴壓力。算法的關鍵是通過中期管網滅火劑百分比校核計算精度，通過噴嘴前壓力和中期容器壓力控制設計優化方向。

分析該計算過程，管網的流量、管徑、壓力3個變量相互關聯，根據管網設計目標流量可以得到設計管徑，因此根據已知的管網系統，可以采用類似的計算方法計算出管網系統的壓力和流量，從而得到準確的管網系統流量即各噴嘴的噴射速率。

滅火系統管網性能計算的管徑設計算法計算步驟如下，計算流程圖見圖2所示。初始流量根據工程經驗，為了提高計算效率，按公式（2）進行管徑的初始化[4][5]。

4.2 ?滅火劑濃度仿真

滅火劑在火區內的濃度場采用流體計算軟件Fluent進行模擬。首先構建滅火區域的幾何模型，并對火區內的設備及結構進行適當簡化，忽略次要小零部件。網格劃分一般采用非結構化四面體網格。網格劃分完成后將網格文件輸入Fluent中，設置湍流模型、物質輸運模型、離散相模型等。設置滅火劑液滴材料、滅火劑氣態材料、混合物材料以及滅火噴嘴模型等。噴射采用非穩態計算，計算時間步長一般不大于0.1s。

根據滅火噴嘴的噴孔技術參數、噴嘴布置以及在管網計算中得出的噴嘴壓力、流量，設置滅火劑濃度場模擬分析模型。觀察滅火劑從滅火噴嘴噴出后火區內滅火劑濃度場隨時間的變化情況，判斷滅火劑濃度是否達到設計要求，分析滅火劑的濃度分布，給出噴嘴布置優化的建議。

以某型飛機發動機艙滅火系統為例，建立仿真計算幾何模型、網格模型見圖3所示。

根據滅火劑濃度場分析模擬結果，分析滅火劑噴射后火區內滅火劑濃度場隨時間的變化情況。圖4示出算例中滅火劑噴射后第1秒和第5秒時火區內的滅火劑濃度分布情況。從圖中可以看出，噴射滅火劑后，滅火噴嘴周圍的滅火劑濃度開始迅速上升，到第5秒，整個火區都充滿了滅火劑，滅火劑濃度均達到6%體積濃度要求。

5 ? 試驗對比

在試驗室簡歷全尺寸試驗臺，采用真實的機載滅火系統試驗件，1：1火區實驗艙模型，并對飛機巡航過程中火區內的通風氣流進行模擬。在火區內設置多個滅火劑濃度測量點，監測火區內各部位滅火劑濃度的變化情況，與仿真結果進行對比。

實驗結果顯示，滅火劑開始噴射后4～6秒，火區內滅火劑迅速上升并達到峰值濃度，所有監測點全部超過10%體積濃度，之后滅火劑濃度緩慢下降。6個監測點的滅火劑濃度變化情況見圖5所示。

根據仿真結果，滅火劑噴射后5秒左右，發動機艙內的滅火劑濃度達到峰值，最高約16%，稍高于試驗實測值，見圖6所示。綜合試驗臺及測量設備的誤差，試驗實測滅火劑濃度場與仿真計算結果基本相符。

6 ? 結語

本文以某型飛機發動機艙固定式滅火系統為例，通過工程經驗算法結合CFD技術，分別對機載滅火系統管網及火區滅火劑濃度場進行計算分析。對比試驗數據，計算結果與試驗情況符合性較好，可以用于支持飛機機載高速滅火系統設計。

作者簡介：

梁文劍，（1984.5-），男，布依族，貴州省貞豐縣，大學本科，高級工程師，研究方向或從事工作：飛機防滅火設計。

參考文獻：

[1] ? 王 ?偉，王 ?喆.固定式氣體滅火系統安全問題分析與對策[J].科技信息，2007，（30）：344-345.

[2] ? 飛機防火滅火系統通用規范標準編號：HB7253-1995[S].中國航空工業總公司，1995.

[3] ? 陳嵩祿等.《飛機設計手冊》第13分冊[M].北京：航空工業出版社，2006：435-473.

[4] ? GB 50163-92《鹵代烷1301 滅火系統設計規范》[S].中華人民共和國公安部，1992.

[5] ? 公安部天津消防科研所.Y2系列鹵代烷固定滅火系統[Z].