民机供水系统空气管路传热计算研究

朱翀 雷美玲 肖世旭 张雪苹 马岩

【摘 要】供水系统是民用客机中不可缺少的重要系统。在供水系统的设计过程中，空气管路设计是很重要的一个部分。由空气管路导入水箱的高压气体温度将会直接决定着水箱内的水温。本文以某型民机供水系统空气管路作为研究对象，采用Flowmaster管网系统对空气管路的传热性能进行计算，以验证空气管路的传热性能。

【关键词】民用飞机；供水系统；空气管路；传热计算

中图分类号： V223.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）13-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.019

民机供水系统[1]是在机内贮藏并提供足够量的水，为机上厨房及盥洗室提供饮用水、冷热盥洗用水和马桶冲洗用水，以满足乘客机上生活的需要。

供水系统将水贮藏在水箱中，通过增压方式将水通过管路输送到厨房与盥洗室供使用。目前民机供水系统主流的增压方式是以气源系统引气增压为主，配套空气压缩机增压为辅，该种增压方式在CRJ700/900、ERJ170/190、B737均有应用。从气源系统引气用于为供水系统增压同时也带来一个问题，即气源系统内高压气体都是高温气体。

从气源系统将高温高压气体引入供水系统水箱的管路一般可称为供水系统空气管路（以下简称空气管路），空气管路内的高温气体会对空气管路布置、供水系统设计都提出要求。本文以某型民机供水系统空气管路的传热计算为例进行研究，为空气管路布置、供水系统设计提供参考。

1 计算方法

FLOWMASTER软件基于网络流体算法，该方法特点是将系统的结构分解成由相应元件和节点组成的网络，用有限的元件和流动介质类型描述各种结构的系统。网络采用质量守恒原理和节点压力残量修正法计算，具有良好的通用性和可操作性，且按稳定性和收敛性也较好，可用来建立空气管路的模型，计算出各个元件及节点的温度、流量等性能参数。同时，FLOWMASTER具有丰富的元件数据库，每个元件都有各自的数学模型，并具有相应的输入输出和特征参数。在民机供水系统空气管路传热计算中用到了FLOWMASTER软件[2]中的直管模型与压力源模型，其中直管模型用于模拟空气管路的流动与传热，压力源模型用于模拟空气管路一段的气源入口与水箱出口。

2 计算模型与计算条件

供水系统空气管路是连接氣源系统与供水系统水箱的一段管路，用于将气源系统内的高温高压气体引入到供水系统水箱内，为整个供水系统增压。同时空气管路还担负着散热以降低增压气体到达水箱时的温度。

本文以某型民机供水系统空气管路作为研究对象。该型民机气源系统总管位于机尾球面框之后，因此供水系统空气管路从球面框之后的气源总管始，进入球面框后继续向前直至到达水箱。球面框之后为非温控、非气密区，球面框之前为气密区，根据空气管路途径的周围环境区别，将空气管路分为两段，一段为气源系统总管到球面框段（非温控、非气密区内，称为A段），一段为球面框到水箱段（气密区，称为B段）。由于空气管路B段位于气密区，其布置位置受到限制，因此其长度基本是固定的，经估算其长度约为8m；而空气管路A段位于非温控、非气密区，其布置相对灵活，长度可以调整。根据以上分析，建立如图1所示的空气管路传热计算模型。

空气管路的传热除了与管路自身的布置有关外，还与管路内的热流量与周围环境温度有关。管路内的热流量是由管路内空气流量与温度共同决定的，而管路内空气流量又是由气源总管内压力与水箱内压力共同决定的。管路内空气流量是一个变化的值，在从气源系统总管刚开始引气到最终稳定状态，管路内流量是由大变化小的，本文选取刚开始引气阶段（状态一）与引气稳定阶段（状态二）作为计算工况，状体A中气源端压力为45psi、水箱端压力为14.7psi，状体B中气源端压力为45psi、水箱端压力为42psi。

周围的环境温度对空气管路的传热也有着非常大的影响，本文选取空气管路最恶劣工况作为计算状态，非气密区环境温度为50℃，气密区环境温度为25℃。

3 计算结果及分析

空气管路状态一、状态二的传热计算结果分别见表1与表2。

由表1、表2中的空气管路传热计算结果可知，在周围环境温度一定的条件下，A段管路长度越长，空气管路水箱端温度越低，即空气管路的散热效果越好。可以看出在同样工况下虽然A段管路长度的增加使管路内流量变小，但是由于增加了空气管路与周围环境的传热接触面，总体来说同样工况下A段管路长度的增加更有利于空气管路的散热。

图2为空气管路状态一与状态二计算结果的比较，由图可知在A段管路同样长度的条件下，状态一空气管路水箱端温度远高于状态二空气管路水箱端温度。说明在同样的管路长度下管路内流量较小时，管路的传热效率更高。也说明了对于空气管路传热问题，状态一是比状态二更为严酷的工况。

根据供水系统的设计经验，为了保证水箱内水的卫生状况，需保持水温不超过60℃。根据以上计算结果可知，为了满足水温的要求，空气管路A段的长度至少应达到7m。

4 结语

本文以某型民机供水系统空气管路作为研究对象，提出了采用Flowmaster管网系统对空气管路的传热性能进行计算的方法。根据该方法的计算结果可知空气管路的长度对其传热性能具有较大的影响。为了满足水箱内水温的要求，在系统设计时必须对空气管路进行传热性能计算，以保证由空气管路进入水箱的高压气体温度在适当范围内。

【参考文献】

[1]雷美玲.新型民用客机水系统选型研究[J].航空工程进展，2012，3（2）： 229-234.

[2]黄小玲.基于FLOWMASTER的叠压供水仿真研究[D].南昌：南昌大学，2009.