防火系統地面試驗臺氣流模擬系統的研究

方慧波

【摘 要】本文根據飛機飛行過程中艙體（含發動機艙、APU艙和通用貨艙）氣流技術要求，設計一套民用飛機防火系統地面模擬試驗的氣流模擬系統，包括風機規格型號及其與配套設備的確定、流量控制閥和管路的確定，等等；同時對氣流模擬系統進行了三維建模仿真計算，確定了氣流模擬系統設計參數滿足設計要求。

【關鍵詞】風機；氣流調節閥；管路；仿真計算

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

為模擬飛機飛行過程中試驗艙的真實氣流情況，根據工程經驗，在某型飛機地面試驗中通過變頻器控制電機帶動風機和電動調節蝶閥精確模擬試驗所需氣流，如馬海峰的研究[1]。氣流模擬系統作為試驗系統的一部分，主要為試驗艙提供試驗所需的氣源以及真實氣流環境。本文中的供氣系統，采用鼓風機提供氣源，通過管路引入試驗艙，通過各支管路的調節閥調整開度實現流量控制，以滿足試驗的氣體流量需求。

1 系統原理與組成

氣流模擬系統用于模擬飛行過程中的氣流情況，采用鼓風機作為氣源，通過管路布設將氣流輸送到各個試驗艙，采用氣流調節閥來實現流量控制，具體氣流流量范圍由各分支管路在真實飛機上的氣流情況決定，并可通過安裝于管路上的流量計監測。

氣流模擬系統由風機及其配套設備、模擬系統管路、氣流調節閥、流量計等組成，其原理圖如圖1所示。

圖1 氣流模擬系統原理圖

2 風機

根據工程經驗，氣流模擬系統采用羅茨鼓風機提供加壓氣源，根據試驗臺用氣要求，綜合考慮試驗艙和管路流阻，估算風機出風口壓力應不低于80kPa，總流量不低于2.3kg/s。因此，綜合考慮上述參數，參考通風機基本形式、尺寸參數及性能曲線[2]中的選型標準，最終選定羅茨鼓風機型號為ASF-295E，配套恒頻交流電機型號為YKK400-6。羅茨鼓風機配套設備包含鼓風機、恒頻交流電機、出口氣流冷卻器和隔聲罩。機組性能參數如下：

1）額定風量：128m3/min（2.6kg/s），標準大氣條件；

2）額定壓升：102kPa；

3）額定轉速：980r/min；

4）電機額定功率：355kW。

鼓風機機房設計通風設備，風機間通風量每分鐘不小于180m3，以保證風機間環境溫度不高于60℃，保障設備在規定環境溫度下運轉。

排氣泄壓閥壓力設置在105kPa，防止壓力過高對設備和人員造成傷害。

鼓風機及電機的運轉，通過控制系統，可進行本地和遠程控制，接受并執行“準備”、“啟動”、“運行”、“停車”、“急停”等控制指令。風機的起動配備有軟起動裝置，保障大功率電機的安全起動。

3 氣流調節閥

為實現供氣系統各分支管路的流量匹配，采用法蘭蝶閥、電動調節閥和手動節流閥調節各分支管路的流阻。各分支管路流體參數見表2。

調節閥通徑的選取根據已知的流體參數，先計算出流量系數（Cv）值，然后再根據調節閥的額定Cv值，選取合適的調節閥通徑。Cv值的計算方法如下[3]：

式中：Q為在標準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分別表示調節閥進口和出口絕對壓力（kg/cm2）；

？駐P=P1-P2表示調節閥進出口端壓差（kPa）。

根據計算結果，確定各分支管路調節閥的額定Cv值和公稱通徑，見表1。

表1 氣流模擬系統各管路閥門類型及通徑

電動調節閥選取重慶川武儀表有限公司生產的R600電動調節閥，其閥體材質為WCB（普通碳鋼），閥芯材質為304不銹鋼，連接形式為法蘭連接。其性能參數如下：

1）泄露量：小于額定Cv的10-4；

2）回差：小于2%；

3）可調比：50：1。

手動節流閥和法蘭碟閥閥體材質為WCB（普通碳鋼），閥芯材質為304不銹鋼，連接形式為法蘭連接，調節精度為3級。

4 氣流管路

根據試驗艙用氣需求，氣流模擬系統供氣系統設計末端分支管路共14路。在鼓風機出風口消音器下游總管上，設置有單獨泄流旁通管路。

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的流量要求，以各分支管路氣體流速不超過50m/s為基本條件；

2）調節閥的流阻特性需求，以及所選閥的公稱通徑；

3）質量流量計的測試條件要求。

根據上述原則，氣流模擬系統管路設計管徑如表2所示。

表2 氣流模擬系統供氣系統管路管徑設計參數

5 仿真計算

為驗證設計方案的可行性，對氣流模擬系統進行三維仿真計算，CFD仿真軟件為Fluent14.0，選用k-？著湍流模型[4]。

仿真模型以鼓風機排氣消聲器出口端為入口邊界，著重模擬管網內部的流場，簡化了調節閥和流量計實體模型，只考慮此類部件帶來的壓損。根據羅茨鼓風機的特點，設定風機出風口為恒流，即保持流量不變，為2.6kg/s，壓力隨管道負載在0～102kPa變化。實際管網系統末端接試驗艙管路接口，仿真模型設定管網系統末端為壓力出口邊界。

建模過程及仿真模型的網格劃分如圖2（圖2左為仿真模型，右為模型網格劃分）所示，計算結果如圖3、圖4所示。從圖3可以看出，氣流模擬系統管路中，最大的氣體流速不超過50m/s，滿足2.2節中管路尺寸的選取。圖4中的氣流管路壓力分布則表明：結果分析表明：任一支路氣流在管路中沿程損失和局部損失不超過2kPa，管徑的選取和管路的布置合理。

根據氣流模擬系統的仿真計算結果，可以得出通過設定各分支管路不同的流阻，可以實現流量按需分配，滿足試驗調節需求；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個進氣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 結論

根據氣流模擬系統的設計要求，參照真實飛機上的氣體流量，最終選擇額定風量為2.6kg/s的羅茨鼓風機作為供氣源；以及通過流量參數取定各總管路與分支管路的尺寸，并綜合考慮系統布局，形成氣流模擬系統的整體設計方案。最后通過對管路設計進行仿真計算，得到的結果表明設計的氣流模擬系統管路布局能滿足設計、試驗要求。

【參考文獻】

[1]馬海峰.一種氣流模擬系統在飛機地面試驗中的設計與實現[J].技術與應用，2011.12：21-23.

[2]通風機基本形式、尺寸參數及性能曲線.GB/T3235-2008[Z].

[3]歸柯庭，汪軍，王秋穎.工程流體力學[M].科學出版社，2003.

[4]朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT流體分析工程案例精講[M].電子工業出版社，2013.8.

[責任編輯：王楠]S