防火系統(tǒng)地面試驗臺氣流模擬系統(tǒng)的研究

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防火系統(tǒng)地面試驗臺氣流模擬系統(tǒng)的研究

防火系統(tǒng)地面試驗臺氣流模擬系統(tǒng)的研究本文根據(jù)飛機(jī)飛行過程中艙體（含發(fā)動機(jī)艙、APU艙和通用貨艙）氣流技術(shù)要求，設(shè)計一套民用飛機(jī)防火系統(tǒng)地面模擬試驗的氣流模擬系統(tǒng)，包括風(fēng)機(jī)規(guī)格型號及其與配套設(shè)備確實定、流量操縱閥和管路確實定，等等；

同時對氣流模擬系統(tǒng)舉行了三維建模仿真計算，確定了氣流模擬系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)得志設(shè)計要求。

ResearchofairstreamsimulationsystemappliedinfireprotectionsystemgroundtestFANGHui-bo（ShanghaiAircraftDesignandResearchInstitute，Shanghai202210，China）Accordingtothefluxandpressureofinletinnacelle，APUcompartmentandcargocompartmentduringfight，anairstreamsimulationsystemusedinfireprotectionsystemisdesigned.Aventilatorsystemandcontrolvalvesarechosenandthediameterofeachpipeiscalculated.Athree-dimensionalsimulationbasedonFLUENTisconductedwhileloadinginrealsituations.Theresultsconfirmthedesignofairstreamsimulationsystemisappropriate.Ventilator；

Pipe；

Controlvalve；

Simulation為模擬飛機(jī)飛行過程中試驗艙的真實氣流處境，根據(jù)工程閱歷，在某型飛機(jī)地面試驗中通過變頻器操縱電機(jī)帶動風(fēng)機(jī)和電動調(diào)理蝶閥精確模擬試驗所需氣流，如馬海峰的研究[1]。氣流模擬系統(tǒng)作為試驗系統(tǒng)的一片面，主要為試驗艙供給試驗所需的氣源以及真實氣流環(huán)境。本文中的供氣系統(tǒng)，采用鼓風(fēng)機(jī)供給氣源，通過管路引入試驗艙，通過各支管路的調(diào)理閥調(diào)整開度實現(xiàn)流量操縱，以得志試驗的氣體流量需求。

1系統(tǒng)原理與組成氣流模擬系統(tǒng)用于模擬飛行過程中的氣流處境，采用鼓風(fēng)機(jī)作為氣源，通過管路布設(shè)將氣流輸送到各個試驗艙，采用氣流調(diào)理閥來實現(xiàn)流量操縱，概括氣流流量范圍由各分支管路在真實飛機(jī)上的氣流處境抉擇，并可通過安裝于管路上的流量計監(jiān)測。

氣流模擬系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)及其配套設(shè)備、模擬系統(tǒng)管路、氣流調(diào)理閥、流量計等組成，其原理圖如圖1所示。

圖1氣流模擬系統(tǒng)原理圖2風(fēng)機(jī)根據(jù)工程閱歷，氣流模擬系統(tǒng)采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)供給加壓氣源，根據(jù)試驗臺用氣要求，綜合考慮試驗艙和管路流阻，估算風(fēng)機(jī)出風(fēng)口壓力應(yīng)不低于80kPa，總流量不低于2.3kg/s。

因此，綜合考慮上述參數(shù)，參考通風(fēng)機(jī)根本形式、尺寸參數(shù)及性能曲線[2]中的選型標(biāo)準(zhǔn)，最終選定羅茨鼓風(fēng)機(jī)型號為ASF-295E，配套恒頻交流電機(jī)型號為YKK400-6。羅茨鼓風(fēng)機(jī)配套設(shè)備包含鼓風(fēng)機(jī)、恒頻交流電機(jī)、出口氣流冷卻器和隔聲罩。機(jī)組性能參數(shù)如下：

1）額定風(fēng)量：128m3/min（2.6kg/s），標(biāo)準(zhǔn)大氣條件；

2）額定壓升：102kPa；

3）額定轉(zhuǎn)速：980r/min；

4）電機(jī)額定功率：355kW。

鼓風(fēng)機(jī)機(jī)房設(shè)計通風(fēng)設(shè)備，風(fēng)機(jī)間通風(fēng)量每分鐘不小于180m3，以保證風(fēng)機(jī)間環(huán)境溫度不高于60℃，保障設(shè)備在規(guī)定環(huán)境溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)。

排氣泄壓閥壓力設(shè)置在105kPa，防止壓力過高對設(shè)備和人員造成傷害。

鼓風(fēng)機(jī)及電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過操縱系統(tǒng)，可舉行本地和遠(yuǎn)程操縱，采納并執(zhí)行“打定”、“啟動”、“運(yùn)行”、“停車”、“急?！钡炔倏v指令。風(fēng)機(jī)的起動配備有軟起動裝置，保障大功率電機(jī)的安好起動。

3氣流調(diào)理閥為實現(xiàn)供氣系統(tǒng)各分支管路的流量匹配，采用法蘭蝶閥、電動調(diào)理閥和手動節(jié)流閥調(diào)理各分支管路的流阻。各分支管路流體參數(shù)見表2。

調(diào)理閥通徑的選取根據(jù)已知的流體參數(shù)，先計算出流量系數(shù)（Cv）值，然后再根據(jù)調(diào)理閥的額定Cv值，選取適合的調(diào)理閥通徑。Cv值的計算方法如下[3]：

式中：Q為在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下通過閥的的最大流量（m3/h）；

G為空氣密度，計算時取1.225kg/m3；

T為流體溫度（℃），計算時取40℃；

P1、P2分別表示調(diào)理閥進(jìn)口和出口十足壓力（kg/cm2）；

？駐P=P1-P2表示調(diào)理閥進(jìn)出口端壓差（kPa）。

根據(jù)計算結(jié)果，確定各分支管路調(diào)理閥的額定Cv值和公稱通徑，見表1。

表1氣流模擬系統(tǒng)各管路閥門類型及通徑電動調(diào)理閥選取重慶川武儀表有限公司生產(chǎn)的R600電動調(diào)理閥，其閥體材質(zhì)為WCB（普遍碳鋼），閥芯材質(zhì)為304不銹鋼，連接形式為法蘭連接。其性能參數(shù)如下：

1）泄露量：小于額定Cv的10-4；

2）回差：小于2%；

3）可調(diào)比：50：1。

手動節(jié)流閥和法蘭碟閥閥體材質(zhì)為WCB（普遍碳鋼），閥芯材質(zhì)為304不銹鋼，連接形式為法蘭連接，調(diào)理精度為3級。

4氣流管路根據(jù)試驗艙用氣需求，氣流模擬系統(tǒng)供氣系統(tǒng)設(shè)計末端分支管路共14路。在鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口消音器下游總管上，設(shè)置有單獨(dú)泄流旁通管路。

綜合以下因素，確定各總管和分支管路的尺寸：1）基于管路氣流模擬系統(tǒng)的流量要求，以各分支管路氣體流速不超過50m/s為根本條件；

2）調(diào)理閥的流阻特性需求，以及所選閥的公稱通徑；

3）質(zhì)量流量計的測試條件要求。

根據(jù)上述原那么，氣流模擬系統(tǒng)管路設(shè)計管徑如表2所示。

表2氣流模擬系統(tǒng)供氣系統(tǒng)管路管徑設(shè)計參數(shù)5仿真計算為驗證設(shè)計方案的可行性，對氣流模擬系統(tǒng)舉行三維仿真計算，CFD仿真軟件為Fluent14.0，選用k-？著湍流模型[4]。

仿真模型以鼓風(fēng)機(jī)排氣消聲器出口端為入口邊界，著重模擬管網(wǎng)內(nèi)部的流場，簡化了調(diào)理閥和流量計實體模型，只考慮此類部件帶來的壓損。根據(jù)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)定風(fēng)機(jī)出風(fēng)口為恒流，即保持流量不變，為2.6kg/s，壓力隨管道負(fù)載在0～102kPa變化。實際管網(wǎng)系統(tǒng)末端接試驗艙管路接口，仿真模型設(shè)定管網(wǎng)系統(tǒng)末端為壓力出口邊界。

根據(jù)氣流模擬系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果，可以得出通過設(shè)定各分支管路不同的流阻，可以實現(xiàn)流量按需調(diào)配，得志試驗調(diào)理需求；

任一支路氣流在管路中沿程損失和局部損失不超過2kPa；

分支管路（4-9）6個進(jìn)氣小孔末端分支管路的流量調(diào)配根本均衡，最大不均衡度小于5%。

6結(jié)論根據(jù)氣流模擬系統(tǒng)的設(shè)計要求，參照真實飛機(jī)上的氣體流量，最終選擇額定風(fēng)量為2.6kg/s的羅茨鼓風(fēng)機(jī)作為供氣源；

以及通過流量參數(shù)取定各總管路與分支管路的尺寸，并綜合考慮系統(tǒng)布局，形成氣流模擬系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。最后通過對管路設(shè)計舉行仿真計算，得到的結(jié)果說明