基于CFD的飞机机载灭火系统性能仿真

梁文剑 闫伟伟 孔雪 黄小彬

摘要：飞机机载灭火系统性能仿真可有效提高系统设计与验证的效率，减少研制过程的反复。本文分析飞机机载高速灭火系统性能需求，提出管网计算结合CFD分析的思路。以某型飞机发动机舱灭火系统为例，将飞机机载高速灭火系统划分为管网系统及喷射系统两个部分，采用工程经验结合CFD仿真技术，进行系统性能仿真分析研究。根据试验对比，仿真分析与试验结果一致性较好，可有效支持飞机机载灭火系统的研制。

关键词：机载高速灭火系统; CFD分析; 灭火管网; 灭火剂浓度

1   引言

飞机在飞行中出现火灾会严重危害到飞行安全，一旦火灾失控势必造成机毁人亡的重大事故。现代飞机对安全性提出了很高的要求，无论从适航要求还是相关顶层标准规范，对飞机机载灭火系统都有严格的设计要求。机载灭火系统作为飞机着火后的最后一道安全保障，需要快速有效灭火将危害控制到最小[1]。

目前，国内外飞机机载灭火系统一般采用卤代烷气体灭火系统，其中应用最广泛的是halon1301固定式灭火系统。为了有效扑灭机上火灾，要求灭火系统在启动后能够快速喷射灭火剂，迅速达到灭火浓度并保持一定的持续时间，达到灭火效果 [2]。

目前飞机机载灭火系统研制的方案阶段一般参考设计经验采用保守设计的方式确定主要设计参数。在研制过程中对设计方案进行试验验证，并根据试验结果适当进行设计优化。这种方式导致系统研制周期过长，系统各项设计指标比较保守，系统重量代价大。

由于机载高速灭火系统的灭火剂喷射是一个复杂的多相流过程，在工程实践中对系统进行准确的建模，计算分析系统各主要零部件的性能具有较大的难度。

2   机载灭火系统简介

飞机机载高速灭火系统一般包括发动机舱灭火系统、辅助动力装置舱灭火系统、行李舱灭火系统等。系统设计需要保证高可靠性、高效性、低重量成本。系统一般采用分布式布局，根据功能需求设置成多个独立系统，并对关键部件采用适当的冗余设计。

从系统组成来看，机载灭火系统一般包括：高压灭火器、释放机构、流向阀、输送管路、喷嘴等。[3]

3   总体思路

机载高速灭火系统每次灭火均为一个灭火瓶向一个单独的失火区域进行喷射。从性能分析的角度，可对各独立小系统分别建模进行计算分析。考核灭火系统性能的最终指标是喷射灭火剂时相应失火区域内的灭火剂浓度场。相关标准规范规定灭火系统喷射后灭火区域内的灭火剂体积浓度应达到6%并持续0.5秒以上。

灭火系统启动时，灭火剂在灭火瓶剂管网系统中属于气液两项的剧烈变化过程。灭火剂从喷嘴喷射进入火区后，绝大部分灭火剂完成气化，此时主要运动为灭火剂在空气中的扩散和掺混。由于灭火剂在管网中的高速流动和相变过程不易进行CFD建模仿真。本文计算灭火剂系统性能的方案是，将灭火系统性能计算分为两个部分分别进行：管网性能计算和灭火剂扩散浓度场计算。通过工程经验方法计算灭火剂管网的压力和流量，作为灭火剂浓度场计算的输入，采用CFD方法对火区内灭火剂浓度场进行仿真。

管网性能计算部分采用卤代烷1301灭火系统经验计算方法，以中期压力作为计算点，建立灭火系统管网性能计算模型，求解出管网系统中相关节点的灭火剂压力、流量等，分析计算结果并调整管网设计以实现设计优化。灭火剂浓度场CFD仿真分析以管网性能数值计算结果作为输入，对灭火剂喷射后火区内的灭火剂浓度场、流场进行仿真，分析灭火效果得到灭火系统性能特性。

4   性能计算

4.1  管网计算

灭火管网中期状态算法是一个设计算法，基本原理是：以估算的中期压力作为计算点，建立灭火系统管网模型，设置多个节点将管网划分为多个管段，以灭火瓶为起点，逐点求解各节点压力，得到喷嘴压力。算法的关键是通过中期管网灭火剂百分比校核计算精度，通过喷嘴前压力和中期容器压力控制设计优化方向。

分析该计算过程，管网的流量、管径、压力3个变量相互关联，根据管网设计目标流量可以得到设计管径，因此根据已知的管网系统，可以采用类似的计算方法计算出管网系统的压力和流量，从而得到准确的管网系统流量即各喷嘴的喷射速率。

灭火系统管网性能计算的管径设计算法计算步骤如下，计算流程图见图2所示。初始流量根据工程经验，为了提高计算效率，按公式（2）进行管径的初始化[4][5]。

4.2  灭火剂浓度仿真

灭火剂在火区内的浓度场采用流体计算软件Fluent进行模拟。首先构建灭火区域的几何模型，并对火区内的设备及结构进行适当简化，忽略次要小零部件。网格划分一般采用非结构化四面体网格。网格划分完成后将网格文件输入Fluent中，设置湍流模型、物质输运模型、离散相模型等。设置灭火剂液滴材料、灭火剂气态材料、混合物材料以及灭火喷嘴模型等。喷射采用非稳态计算，计算时间步长一般不大于0.1s。

根据灭火喷嘴的喷孔技术参数、喷嘴布置以及在管网计算中得出的喷嘴压力、流量，设置灭火剂浓度场模拟分析模型。观察灭火剂从灭火喷嘴喷出后火区内灭火剂浓度场随时间的变化情况，判断灭火剂浓度是否达到设计要求，分析灭火剂的浓度分布，给出喷嘴布置优化的建议。

以某型飞机发动机舱灭火系统为例，建立仿真计算几何模型、网格模型见图3所示。

根据灭火剂浓度场分析模拟结果，分析灭火剂喷射后火区内灭火剂浓度场随时间的变化情况。图4示出算例中灭火剂喷射后第1秒和第5秒时火区内的灭火剂浓度分布情况。从图中可以看出，喷射灭火剂后，灭火喷嘴周围的灭火剂浓度开始迅速上升，到第5秒，整个火区都充满了灭火剂，灭火剂浓度均达到6%体积浓度要求。

5   试验对比

在试验室简历全尺寸试验台，采用真实的机载灭火系统试验件，1：1火区实验舱模型，并对飞机巡航过程中火区内的通风气流进行模拟。在火区内设置多个灭火剂浓度测量点，监测火区内各部位灭火剂浓度的变化情况，与仿真结果进行对比。

实验结果显示，灭火剂开始喷射后4～6秒，火区内灭火剂迅速上升并达到峰值浓度，所有监测点全部超过10%体积浓度，之后灭火剂浓度缓慢下降。6个监测点的灭火剂浓度变化情况见图5所示。

根据仿真结果，灭火剂喷射后5秒左右，发动机舱内的灭火剂浓度达到峰值，最高约16%，稍高于试验实测值，见图6所示。综合试验台及测量设备的误差，试验实测灭火剂浓度场与仿真计算结果基本相符。

6   结语

本文以某型飞机发动机舱固定式灭火系统为例，通过工程经验算法结合CFD技术，分别对机载灭火系统管网及火区灭火剂浓度场进行计算分析。对比试验数据，计算结果与试验情况符合性较好，可以用于支持飞机机载高速灭火系统设计。

作者简介：

梁文剑，（1984.5-），男，布依族，贵州省贞丰县，大学本科，高级工程师，研究方向或从事工作：飞机防灭火设计。

参考文献：

[1]   王  伟，王  喆.固定式气体灭火系统安全问题分析与对策[J].科技信息，2007，（30）：344-345.

[2]   飞机防火灭火系统通用规范标准编号：HB7253-1995[S].中国航空工业总公司，1995.

[3]   陳嵩禄等.《飞机设计手册》第13分册[M].北京：航空工业出版社，2006：435-473.

[4]   GB 50163-92《卤代烷1301 灭火系统设计规范》[S].中华人民共和国公安部，1992.

[5]   公安部天津消防科研所.Y2系列卤代烷固定灭火系统[Z].