通气系统对直升机燃油箱惰化系统的影响

金峙良，卞朋交，周佐俊

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

通气系统对直升机燃油箱惰化系统的影响

金峙良，卞朋交，周佐俊

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

以直升机单个油箱为研究对象，建立数值仿真模型，研究了通气系统对惰化系统的影响；得出了通气管出口大气压变化、油箱内液面下降、不同通气管出口压强存在压力差三个因素单独作用时，燃油箱气相空间氧气浓度随时间变化关系；得到了为保持气相空间氧气浓度不大于9%，需通入惰性气体的流量。结果显示，三个因素是使氧气浓度上升的主要因素，通气管出口存在压强差作用最明显，通入惰性气体能有效控制氧气浓度上升。

惰化系统；通气系统；氧气浓度；数值仿真

0 引言

飞机燃油箱爆炸是造成空难的重要隐患之一。目前，抑制燃油箱爆炸的主要方法有向燃油箱填充网状泡沫、氮气、海伦1301或安装机载惰性气体发生系统(OBIGGS)等。国内外对惰化系统的研究主要集中在OBIGGS系统工作原理，单个油箱气相空间氧气的冲洗效率，燃油中溶解氧的洗涤过程等问题上。对于飞行过程中其它子系统如通气系统对燃油箱惰化系统影响的研究很少。燃油箱通气系统用于在飞行器飞行包线内保证燃油箱内压强与外界大气压强一致，从而保证供油系统的正常工作。然而，燃油箱内气体与外界大气的交换会造成外界氧气进入燃油箱内，对燃油箱惰化系统工作产生不利影响。

本文通过对某典型直升机燃油箱子系统进行数值仿真分析，研究了飞行时通气系统对惰化系统的影响，并在此基础上研究了飞行器海拔变化造成的通气管出口大气压强变化、油液液面下降、不同位置通气管出口存在压强差这3个因素单独作用对惰化系统的影响，得到了燃油箱气相空间氧浓度变化规律和实现抑爆所需求惰性气体的流量。本文的研究结论可以指导燃油箱惰化系统设计，数值计算分析方法可用于确定惰性气体需求流量和燃油箱惰化系统布局，具有较强的工程应用价值。

1 数值计算方法

气体在燃油箱中流动，遵循流体流动普遍适用的Navier-Stoked方程组：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。由于氮气与空气在燃油箱中扩散与强烈混合，湍流模型采用了Ke-RNG模型，解算器采用非定常流，开启组分输运方程和能量方程。压力-速度耦合方法为SIMPLE，采用一阶迎风格式。

1.1 控制方程[6]

基本控制方程如下：

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

惰化过程中没有化学反应，组分输运方程如下：

(6)

表1 参数定义

1.2 物理模型

以某型号运输直升机中组燃油箱中单个油箱为研究对象(如图1)建立数值模型。模型由燃油箱和两个通气管组成，燃油箱体积为1.07755m3；惰性气体入口在燃油箱一侧，入口直径为0.02m；燃油箱通过顶部两侧通气管连通大气，通气管出口直径为0.02m，长度为1.1m。用Hypermesh划分四面体网格如图2。模型中直升机飞行状态为极限状态，海拔下降速度取为最大下降速度,约11.5m/s；在计算燃油液面下降时，为节省计算时间，燃油液面下降速度比正常使用时快很多，用时500s使燃油液面从惰性气体入口位置处下降到油箱底部；通气管出口压力为续航速度状态时蒙皮处的静压值。

为便于分析计算结果，引入无量纲参数惰性气体体积置换速率E(后文简称为体积置换率)，定义为惰性气体入口体积流量与燃油箱体积之比[6]。

图1 燃油箱示意图

图2 燃油箱网格划分图

1.3 数值模型验证

由于数值计算模型采用非定常流，需要验证时间无关性和几何无关性[4,6]。首先理论计算了燃油箱从海拔6000m下降到不同海拔高度时燃油箱中O2的平均浓度(如表2);然后，设置4组计算模型(如表3)，计算了在相同过程中，使用不同时间步长和网格大小时，燃油箱中O2平均体积浓度的变化过程。整个过程燃油箱内没有燃油，初始时刻O2浓度为9%，整个过程未输入惰性气体。

首先理论计算：

完全气体状态方程：

(7)

8312J/kg-mol·K，V燃油箱=1.07755m3，代入气体状态方程得：

(8)

(9)

其中，ρ6000米海拔为外界空气进入燃油箱之前燃油箱内的气体密度，此时燃油箱内气体质量为：

(10)

再计算0 m海拔高度时原燃油箱中气体的体积V2，此时大气压力为101325Pa，温度为288K，代入气体状态方程得：

(11)

(12)

(13)

(14)

则0 m海拔时燃油箱中O2浓度为：

(15)

同方法计算得出不同高度下燃油箱中O2平均体积浓度如表2。

表2 下降过程中不同高度时O2浓度

图3显示了理论计算结果和4组数值计算模型燃油箱内O2体积浓度随时间变化的情况，理论模型与计算模型不同高度平均误差如表3。

表3 四组验证数值计算模型

可见，计算模型均与理论值相差不大，其中采用大网格的计算精度最差，采用小网格的计算模型误差均小于1%。综合考虑计算时间和精度 ，采用时间步长为0.05s和最大网格尺寸为30mm作为计算使用模型。

图3 不同高度O2浓度变化情况

2 通气系统对燃油箱惰化的影响

2.1 飞行仿真计算

图4显示了直升机飞行海拔从6000m下降到0m并持续消耗燃油箱中燃油时燃油箱气相空间O2平均浓度随时间的变化曲线。初始时刻燃油箱中O2平均浓度为9%。从图可以看出，在不持续通入惰性气体时，整个飞行过程中燃油箱中O2平均浓度迅速上升，并在约250s时达到了外界大气O2平均浓度，约为21%。分析可知，飞行过程中，飞行海拔下降导致的外界大气压强上升，燃油液面下降，不同通气管出口存在压强差等，均能导致外界O2平均进入燃油箱。从图还可以看出，在不通入惰性气体时，3种因素单独作用时，燃油箱中O2平均浓度迅速上升。这证明了3种因素是造成O2平均浓度上升的重要因素。为抑制O2平均浓度迅速上升，整个飞行过程中需持续通入惰性气体，当体积置换率为 0.0043 s-1时，可显著抑制O2平均浓度的上升。

图4 O2浓度随时间变化

2.2 海拔高度变化对惰化系统的影响

为保证燃油系统正常为发动机供油，通气系统在直升机飞行包线内必须保证燃油箱内气体压强与外界大气压强相等。当直升机飞行高度变化时，外界大气压强变化，空气通过通气管进入燃油箱，造成燃油箱内部O2浓度升高，燃油箱内部压强同时变化。如表4计算了5组模型，分别为由0 m海拔爬升至6000 m海拔，由6000 m海拔下降到0 m海拔并通入不同流量惰性气体，水平飞行。模型不考虑直升机通气管入口处压强差，保证两个通气口压强时刻相等，爬升或下降速度为11.5m/s，整个过程耗时约520 s。初始时刻燃油箱内O2浓度为9%，内部空间全为气体。

图5为O2平均浓度随时间的变化曲线。由图5可以看出，直升机在爬升和平飞过程中，燃油箱中O2平均浓度基本维持在初始值9%左右。这是由于外界大气压下降或者维持不变，外界空气基本无法进入燃油箱内。在下降过程中，O2含量逐渐上升，在到达0 m海拔时达到最大值0.1467。当下降过程中同时通入惰性气体，O2浓度上升的趋势得到抑制，当体积置换率大于0.0011 s-1时，O2平均浓度基本维持在9%以下。图6为沿通气管入口位置的燃油箱横截面O2浓度分布云图。可以看出，燃油箱中绝大部分空间O2浓度在9%，但是在通气管入口处O2浓度达到约14%，通气管中O2浓度为21%。

表4 不同飞行状态

图5 O2浓度随时间变化

图6 E=0.0011s-1，T=250s时刻燃油箱O2浓度分布

2.3 液面下降对惰化系统影响

飞行过程中燃油箱内燃油逐渐减小，气相空间逐渐增大，为保证燃油箱内压强与外界相同，外界空气会由通气管进入燃油箱，造成O2含量增大。设初始液面高度0.37m，液面下降速度为0.00074m/s，液面下降至油箱底部用时500s，新增气相空间体积为0.68522m3。如表5，根据通入惰性气体流量的不同，模型分为3组。

表5 不同惰性气体通入量

图7显示了不同惰性气体通入量时，燃油箱中O2浓度不同时刻的平均体积浓度。可以看出，在不通入惰性气体时，O2浓度逐渐升高至16%以上。通入惰性气体有效抑制了O2浓度的升高，在体积置换率大于0.0008 s-1时，O2浓度约维持在初始时刻的9%；在体积置换率为约0.0015 s-1时，O2浓度迅速下降。由图8可以看出，在液面下降过程中，通入惰性气体后，燃油箱大部分空间O2浓度约为9%，而通气管入口处O2浓度达到了约14%。

图7 O2浓度随时间变化

图8 E=0.0008s-1，T=250s时刻燃油箱O2浓度分布

2.4 通气管出口压强差影响

燃油箱通气系统一般会有多个通气管，直升机飞行时，由于通气管出口位置分布于机身蒙皮不同部位，所以通气管出口处静压不相同，通气管出口的压强差会导致外界气体进入燃油箱。通气管出口处设为压力出口边界条件，参考某型机正常平飞速度为0.28Ma时的蒙皮处静压分布，靠近惰性气体入口一侧的通气管入口1绝对压强设为101028Pa，通气管入口2绝对压强设为100429Pa。先预迭代50timesetp，得到油箱内部压强为100759Pa，初始化油箱内压强为100759Pa，O2浓度为9%。模型分为4组，通入惰性气体通入速度分别为0m/s、8m/s、12m/s、23m/s，如表6。

表6 不同惰性气体通入量

图9为O2平均浓度随时间的变化曲线。由图9可以看出，在未通入惰性气体时，燃油箱中O2平均浓度很快超过9%并逐渐升高，在500s以后超过了18%。在通入惰性气体后，惰性气体抑制了O2浓度的上升，在通入速度为8m/s时，O2平均体积浓度基本保持在初始值9%。在通入速度超过8m/s时，O2平均体积浓度持续下降。由图10可以看出，燃油箱中大部分O2浓度约为9%，在压强大的一侧通气管入口处O2浓度达到14%。

图9 O2浓度随时间变化

图11显示了以上3种因素影响下，为使燃油箱中O2浓度维持在9%左右，通入惰性气体的体积置换率。从图可以看出，为防止O2平均浓度升高，体积置换率均需大于0.0008s-1。其中为抵消通气管出口压强差造成的影响，需要的惰性气体体积置换率最大。通气管出口压强差是影响惰化系统效果的最主要因素。

进一步分析可知，3种因素单独作用时，为保证O2浓度不上升的惰性气体体积置换率之和约为0.0043 s-1。 图4显示3种因素共同作用时，通入与3个因素单独作用时所需流量总和相等流量的惰性气体即能维持O2平均浓度不显著上升。由此可见，海拔变化造成的通气管出口大气压变化、油箱内液面下降、不同通气管出口压强存在压力差等3个因素对惰化系统的影响，可以单独考虑。

图10 E=0.0023s-1，T=250s时刻燃油箱O2浓度分布

图11 惰性气体体积置换率

3 结 论

本文采用的燃油箱惰化数值仿真计算方法的计算结果与理论模型计算结果一致，可以应用于燃油箱惰化系统的设计工作中。仿真计算了飞行时O2平均体积浓度的变化规律，并分别计算了高度下降、燃油消耗、通气管出口存在压力差3个因素单独作用时，燃油箱中O2平均体积浓度的变化情况，给出典型时刻截面O2平均体积浓度分布云图。并探索了为抑制O2平均体积浓度升高，需要通入惰性气体的流量。具体结论如下：

1) 燃油箱惰化系统工作效率会受到其它子系统的影响。

2) 直升机海拔下降、燃油油液消耗、通气管出口存在压强差，会造成外界空气进入燃油箱，使油箱内部O2含量升高，其中通气管出口存在压强差是导致O2浓度升高的最主要因素。

3) 当海拔下降、燃油油液消耗、通气管存在压强差三个因素同时发生时，通入惰性气体体积置换率略大于三个因素单独发生所需的置换率之和，就可抑制O2平均体积浓度显著上升。

4) 根据燃油箱截面氧气浓度云图，可以验证惰性气体进气口位置设置的合理性，避免油箱中局部O2浓度过高。

本文未考虑燃油箱实际使用中燃油中溶解O2的溢出[10,11]；也未考虑安装多个燃油箱时通气系统对惰化系统的影响，因此在后续工作中将对此开展进一步研究。

[1] 刘夙春，邱献双. 一种新型的飞机油箱催化惰化系统[J]. 航空科学技术，2014.

[2] 黄光荣. 燃油箱惰化系统数值研究[D].合肥：中国科学技术大学，2011.

[3] 肖再华. 飞机燃油箱惰化[J]. 北京：航空科学技术，2005.

[4] 张声奇，王学德，等. 民用燃油箱惰化流场的数值仿真及其特性分析[J]. 航空计算技术.

[5] 杜龙勋，薛 艳，朱志谦，等. 航空燃料防火技术研究进展[C]. 2012年中国阻燃学术年会论文，2012.

[6] 黄光荣，何亚平，等. 影响飞机燃油箱惰化系统参数的数值研究[J]. 火灾科学，2011.

[7] 邵 箭，朱承斌. 飞机设计手册，vol 1[M]. 北京：航空工业出版社，1996.

[8] Morris R W, Jr, Miller J. Fuel Deoxygenation and Aircraft Thermal Management[V]. 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit, 2006.

[9] Castellano P. Fuel Tank Inerting Team Leads the Way to Improved Safety[J]. Intercom, 2004.

[10] 高秀峰，刘卫华，雄 斌，等. 飞机燃油箱冲洗惰化过程的理论研究[J]. 西安交通大学学报，2010，44 (09).

[11] 冯诗愚，刘卫华，黄 龙，等. 飞机燃油箱气相空间平衡氧浓度理论研究[J]. 南京航空航天大学学报，2011，43(4).

Study on the Influences of Venting System to Inerting System

JIN Zhiliang，BIAN Pengjiao，ZHOU Zuojun

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Based on a single fuel tank in helicopter ,a numerical simulation model was set up to study the influences of venting system to inerting system. The simulation was performed with either pressure changing on the outlet of venting pipes, liquid level declining, or different pressure on different outlet of venting pipes. The result give out curve on oxygen volume fraction versus time and inerting flow requirements in order to keep oxygen volume fraction below 9%. It conclude that all the 3 factors can cause oxygen volume fraction in fuel tank increasing and the factor that there is difference in outlet pressure between different venting pipes can cause remarkable influence. In additional, Inerting flow can restrain oxygen volume from increasing.

Inerting System; Venting System; Oxygen Volume Fraction; Numerical Simulation

2015-11-30 作者简介：金峙良(1986-)，男，江苏南京人，硕士，助理工程师，主要研究方向： 直升机燃油系统。

1673-1220(2016)02-026-06

V228.1+1

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