熱加油安全區域分析研究

李玉芳 楊阿建 李向明

摘要：飛機具備熱加油功能能有效提升出動時間，對占有出行先機具有非常重要的意義。熱加油相較冷加油而言，主要問題在于安全。由于熱加油時發動機處于工作狀態，其具有強大的風力抽吸能力，因此，在分析熱加油安全區域時，需要對發動機地面工作時的安全范圍進行有效界定。因此，針對每一型發動機，均應在充分計算分析的基礎上給出其工作時的人員安全活動范圍以及熱加油設備布局建議，確保用戶及裝備的使用安全。

Abstract：? With the function of hot refueling， aircraft can effectively improve the departure time， which is of great significance for taking the lead attake off. Compared with cold refueling， the main problem of hot refueling is safety. The working engine on the ground has strong wind suction ability during hot refueling. So， when analyzing the safety area of hot refueling， it is necessary to analyzing the safety scope of the ground working engine. Therefore， for each type of engine， based on full calculation and analysis， the scope of personnel safety activities and the lay out suggestions of hot refueling equipment should be given to ensure the safety of users and equipments.

關鍵詞：熱加油;安全區域;計算分析

Key words： hot refueling;safety zone;analysis and calculation

中圖分類號：X937? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0051-04

0? 引言

近年來，熱加油需求已逐步提上議事日程。據報道，某型機曾用4年[1]時間用實踐經驗摸索了熱加油保障方式。為確保飛機熱加油過程中的使用安全，保證飛機快速出動，設計上必須在熱加油設備布局時考慮安全區域，以確保維護人員安全以及熱加油過程中設備的安全。發動機進氣道前后方均為飛機使用危險區域，對于發動機尾噴流影響的范圍，一般在以排氣口軸線為中心向外輻射的26度以內噴流錐[2]內，對于推力在10噸級左右的發動機，排氣流一般在25米至30米范圍內溫度仍高達60攝氏度，速度可達70米/秒[3]。由于噴流高溫高壓高速且發動機進氣氣流無影無形，極易導致人員對于安全的忽視，對于飛機進氣氣流對人員的傷害，也曾見諸報端，因此，需要確切分析計算進氣流場分布，合理給出安全工作區域范圍。

1? 發動機進氣流場影響范圍計算分析

1.1 發動機工作狀態選取

飛機地面維護和補給時，發動機一般工作在慢車狀態，計算發動機進氣道前方安全區域時一般可以選取此工作狀態進行分析計算。由于發動機工作狀態控制的主動權掌握在機組手上，因此，建議在安全區域計算考核時，應當考慮最嚴苛情況，以發動機的起飛工作狀態進行計算分析，以便確保用戶的使用安全。

1.2 計算區域界定

對于外流場的計算，計算域的選取很重要，當計算域選取不合適時，會產生流場紊亂的情況。根據CFD仿真計算經驗，對不可壓縮流，計算域長度一般取參考長度的3倍以上;對可壓縮流，計算域長度一般取參考長度的5倍以上;對空氣動力學來說，亞音速計算計算域長度一般取參考長度的10倍以上，超音速計算計算域長度一般取參考長度的5倍以上。本文算例為亞音速，前后計算參考尺寸約14米，上下左右最大計算參考尺寸約2米，因此，將計算域長度確定為，以計算參考物為中心，前后各150米，左右各100米，高度方向60米。

1.3 控制方程

控制方程采用常規質量守恒、動量守恒和能量守恒方程。

1.3.1 質量守恒方程

流體力學中的質量守恒定律可以表示為：單位時間內，微小體積內流體質量的增加等于同一時間間隔內流入該微小體積內的凈質量。也就是。按照質量守恒方程，可以得到質量守恒定律的連續方程：

（1）

對微元來說，即：

（2）

使用矢量來表示式（1），可以寫成：

（3）

上面三式中：

——空氣密度，kg/m3;

t——時間，s;

u、v、w——速度矢量在坐標系中X、Y、Z方向的分量。

1.3.2 動量守恒方程

動量定律闡明了流體運動的變換與所受外力之間的關系，動量定理是研究流動、建立流體運動方程所依據的基本理論，是任何流動系統都必須滿足的基本定律。

按照動量守恒定律，流體運動過程中的動量守恒方程為：

（4）

上式中：

Fx、Fy、Fz——外力矢量F在X、Y、Z方向上的分量;

vx1、vy1、vz1——微元體進口截面上流體的平均速度v1在X、Y、Z方向上的分量;

vx2、vy2、vz2——微元體出口截面上流體的平均速度v2在X、Y、Z方向上的分量;

qm1、qm2——進出口截面上流動的流體質量。

由上，可得微元體的動量方程：

（5）

（6）

（7）

1.3.3 能量守恒方程

分析流體流動系統的能量轉換，所依據的是熱力學第一定律，也就是能量守恒定律。能量守恒定律是包含有熱交換流動的系統必須滿足的基本定律。

方程如下：

（8）

式中：cp——比熱容;

T——流體溫度;

k——流體的傳熱系數;

ST——流體的內熱源，及由流體粘性作用下，流體機械能轉換為熱能的部分。

1.4 計算分析

1.4.1 模型建立

計算全過程分為前處理、求解器設置、后處理三部分，前處理采用Icem對計算域進行網格劃分，求解器采用Fluent14.0平臺對計算域進行求解，后處理采用Tecplot軟件對數據進行顯示處理。考慮關心區域為發動機進氣道前端，因此，為簡化計算工作量，對計算模型進行簡化，僅考慮發動機進氣道前方及周圍區域，具體模型見圖1。計算域網格見圖2。為方便監測計算域流動狀態，獲取發動機進氣唇口前后、左右及上下方向的流場速度分布，在計算域中選取監測面。以一發為例，如以右發唇口中心為初始點，以過此點平行于地面的平面為水平監測面，以過此點豎直于地面的平面為豎直監測面，監測面截圖及相對位置詳見圖3、圖4。（由于計算域為對稱分布，左、右唇口前流場分布理論上一致，因此豎直監測面選取一側即可）。

1.4.2 計算結果及分析

獲取水平監測面和數值監測面速度分布結果，見圖5、圖6。從圖5可以看出，以發動機中軸線為中心，發動機慢車狀態進氣道前方的氣流擾動范圍約為左右2米，前方3.5米，上方擾動范圍2米，下方擾動范圍2.5米;發動機起飛狀態進氣道前方的氣流擾動范圍約為左右4米，前方4.5米，上方擾動范圍4米，下方擾動范圍4米。以飛機中軸線為中心，發動機慢車狀態進氣道前方的氣流擾動范圍約為左右4米，前方3.5米，上方擾動范圍2米，下方擾動范圍2.5米;發動機起飛狀態進氣道前方的氣流擾動范圍約為左右5.5米，前方4.5米，上方擾動范圍4米，下方擾動范圍4米。

2? 發動機前方安全區域界定

對于工作發動機前方的安全區域界定，目前沒有可以參考借鑒的實例。本實例在做安全區域界定時，選取風力等級的陸地物象及危害性影響來參考確定，以氣流速度小于安全風力等級的速度區域為安全區域。

根據圖5～圖6計算結果，選取X、Y、Y方向的速度范圍，確定8m/s、5.5m/s、3.3m/s、2m/s、1m/s的速度范圍見表1、表2、表3。風力等級及表征特征[4]見表4。

從表4各風力等級的陸地物象表征特征可以看出，安全風力等級應保證在2級風以下。根據表1～表4綜合分析，考慮F-18C/D飛機加油口及加油控制板均布置在進氣道前方5.2米之外的實際案例，在本算例計算結果基礎上考慮1.5倍安全系數，將本算例工作發動機進氣道前方安全區域定義為：

①發動機地面慢車時：飛機對稱平面6米及發動機進氣道唇口前方5.3米以外;②發動機最大工作狀態時：飛機對稱平面8.3米及發動機進氣道唇口前方9米以外。

3? 熱加油安全區域界定

根據上述分析，對于需要進行熱加油設計的飛機，根據本算例10噸級發動機的計算情況，可以參照將安全區域限定為發動機慢車狀態時以進氣道軸線為中線前方6米的球面以外區域及以尾噴口軸線為中心，過排氣口最大外徑處的26度排氣錐以外的區域。

4? 結束語

近年來，用戶已提出了熱加油的強烈需求，但飛機是否需要進行熱加油需要綜合論證。當飛機進行熱加油設計時，需要考慮的因素很多，例如對飛機本身的裝載、補氧、補氣、接地及機輪冷卻等方面是否有需求，對熱加油安全區域的分析研究僅僅是為熱加油飛機的設備安全布局給出了計算分析的參考建議，在開展熱加油飛機設計時，在計算的基礎上應先開展發動機臺架試車時進氣道前方風力等級測試試驗，以驗證計算結果與實際情況是否存在差異，確保飛機的使用安全。

參考文獻：

[1]任甫清.戰機再次升空作戰 準備實踐減半[N].解放軍報，2020-04-30.

[2]黃愛華，段紅春.某大型運輸機發動機尾噴口射流參數研究[J].中國工程機械學報，2016，14（03）：278-279.

[3]呂學能.艦載機發動機尾流對流場內設備影響的分析[J].機械制造，2017，55（637）：114-115.

[4]農家參謀[J].1997（03）：34.