防火系统地面试验台气流模拟系统的研究

方慧波

【摘 要】本文根据飞机飞行过程中舱体（含发动机舱、APU舱和通用货舱）气流技术要求，设计一套民用飞机防火系统地面模拟试验的气流模拟系统，包括风机规格型号及其与配套设备的确定、流量控制阀和管路的确定，等等；同时对气流模拟系统进行了三维建模仿真计算，确定了气流模拟系统设计参数满足设计要求。

【关键词】风机；气流调节阀；管路；仿真计算

Research of airstream simulation system applied in fire protection system ground test

FANG Hui-bo

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210， China）

【Abstract】According to the flux and pressure of inlet in nacelle， APU compartment and cargo compartment during fight， an airstream simulation system used in fire protection system is designed. A ventilator system and control valves are chosen and the diameter of each pipe is calculated. A three-dimensional simulation based on FLUENT is conducted while loading in real situations. The results confirm the design of airstream simulation system is appropriate.

【Key words】Ventilator； Pipe； Control valve； Simulation

为模拟飞机飞行过程中试验舱的真实气流情况，根据工程经验，在某型飞机地面试验中通过变频器控制电机带动风机和电动调节蝶阀精确模拟试验所需气流，如马海峰的研究[1]。气流模拟系统作为试验系统的一部分，主要为试验舱提供试验所需的气源以及真实气流环境。本文中的供气系统，采用鼓风机提供气源，通过管路引入试验舱，通过各支管路的调节阀调整开度实现流量控制，以满足试验的气体流量需求。

1 系统原理与组成

气流模拟系统用于模拟飞行过程中的气流情况，采用鼓风机作为气源，通过管路布设将气流输送到各个试验舱，采用气流调节阀来实现流量控制，具体气流流量范围由各分支管路在真实飞机上的气流情况决定，并可通过安装于管路上的流量计监测。

气流模拟系统由风机及其配套设备、模拟系统管路、气流调节阀、流量计等组成，其原理图如图1所示。

图1 气流模拟系统原理图

2 风机

根据工程经验，气流模拟系统采用罗茨鼓风机提供加压气源，根据试验台用气要求，综合考虑试验舱和管路流阻，估算风机出风口压力应不低于80kPa，总流量不低于2.3kg/s。因此，综合考虑上述参数，参考通风机基本形式、尺寸参数及性能曲线[2]中的选型标准，最终选定罗茨鼓风机型号为ASF-295E，配套恒频交流电机型号为YKK400-6。罗茨鼓风机配套设备包含鼓风机、恒频交流电机、出口气流冷却器和隔声罩。机组性能参数如下：

1）额定风量：128m3/min（2.6kg/s），标准大气条件；

2）额定压升：102kPa；

3）额定转速：980r/min；

4）电机额定功率：355kW。

鼓风机机房设计通风设备，风机间通风量每分钟不小于180m3，以保证风机间环境温度不高于60℃，保障设备在规定环境温度下运转。

排气泄压阀压力设置在105kPa，防止压力过高对设备和人员造成伤害。

鼓风机及电机的运转，通过控制系统，可进行本地和远程控制，接受并执行“准备”、“启动”、“运行”、“停车”、“急停”等控制指令。风机的起动配备有软起动装置，保障大功率电机的安全起动。

3 气流调节阀

为实现供气系统各分支管路的流量匹配，采用法兰蝶阀、电动调节阀和手动节流阀调节各分支管路的流阻。各分支管路流体参数见表2。

调节阀通径的选取根据已知的流体参数，先计算出流量系数（Cv）值，然后再根据调节阀的额定Cv值，选取合适的调节阀通径。Cv值的计算方法如下[3]：

式中：Q为在标准大气条件下通过阀的的最大流量（m3/h）；

G为空气密度，计算时取1.225kg/m3；

T为流体温度（℃），计算时取40℃；

P1、P2分别表示调节阀进口和出口绝对压力（kg/cm2）；

？驻P=P1-P2表示调节阀进出口端压差（kPa）。

根据计算结果，确定各分支管路调节阀的额定Cv值和公称通径，见表1。

表1 气流模拟系统各管路阀门类型及通径

电动调节阀选取重庆川武仪表有限公司生产的R600电动调节阀，其阀体材质为WCB（普通碳钢），阀芯材质为304不锈钢，连接形式为法兰连接。其性能参数如下：

1）泄露量：小于额定Cv的10-4；

2）回差：小于2%；

3）可调比：50：1。

手动节流阀和法兰碟阀阀体材质为WCB（普通碳钢），阀芯材质为304不锈钢，连接形式为法兰连接，调节精度为3级。

4 气流管路

根据试验舱用气需求，气流模拟系统供气系统设计末端分支管路共14路。在鼓风机出风口消音器下游总管上，设置有单独泄流旁通管路。

综合以下因素，确定各总管和分支管路的尺寸：

1）基于管路气流模拟系统的流量要求，以各分支管路气体流速不超过50m/s为基本条件；

2）调节阀的流阻特性需求，以及所选阀的公称通径；

3）质量流量计的测试条件要求。

根据上述原则，气流模拟系统管路设计管径如表2所示。

表2 气流模拟系统供气系统管路管径设计参数

5 仿真计算

为验证设计方案的可行性，对气流模拟系统进行三维仿真计算，CFD仿真软件为Fluent14.0，选用k-？着湍流模型[4]。

仿真模型以鼓风机排气消声器出口端为入口边界，着重模拟管网内部的流场，简化了调节阀和流量计实体模型，只考虑此类部件带来的压损。根据罗茨鼓风机的特点，设定风机出风口为恒流，即保持流量不变，为2.6kg/s，压力随管道负载在0～102kPa变化。实际管网系统末端接试验舱管路接口，仿真模型设定管网系统末端为压力出口边界。

建模过程及仿真模型的网格划分如图2（图2左为仿真模型，右为模型网格划分）所示，计算结果如图3、图4所示。从图3可以看出，气流模拟系统管路中，最大的气体流速不超过50m/s，满足2.2节中管路尺寸的选取。图4中的气流管路压力分布则表明：结果分析表明：任一支路气流在管路中沿程损失和局部损失不超过2kPa，管径的选取和管路的布置合理。

根据气流模拟系统的仿真计算结果，可以得出通过设定各分支管路不同的流阻，可以实现流量按需分配，满足试验调节需求；任一支路气流在管路中沿程损失和局部损失不超过2kPa；分支管路（4-9）6个进气小孔末端分支管路的流量分配基本均衡，最大不均衡度小于5%。

6 结论

根据气流模拟系统的设计要求，参照真实飞机上的气体流量，最终选择额定风量为2.6kg/s的罗茨鼓风机作为供气源；以及通过流量参数取定各总管路与分支管路的尺寸，并综合考虑系统布局，形成气流模拟系统的整体设计方案。最后通过对管路设计进行仿真计算，得到的结果表明设计的气流模拟系统管路布局能满足设计、试验要求。

【参考文献】

[1]马海峰.一种气流模拟系统在飞机地面试验中的设计与实现[J].技术与应用，2011.12：21-23.

[2]通风机基本形式、尺寸参数及性能曲线.GB/T3235-2008[Z].

[3]归柯庭，汪军，王秋颖.工程流体力学[M].科学出版社，2003.

[4]朱红钧，林元华，谢龙汉.FLUENT流体分析工程案例精讲[M].电子工业出版社，2013.8.

[责任编辑：王楠]S