機載火焰抑制器流阻特性研究

王洋洋 潘俊 劉文怡

摘要：通過試驗和數值計算方法研究了六邊形阻火單元結構火焰抑制器的流阻特性，分析了火焰抑制器結構參數對其流阻特性的影響。研究發現，隨著六邊形通道邊長的減小，火焰抑制器的流阻急劇增大;隨著六邊形通道壁厚的增加，火焰抑制器的流阻呈增大趨勢;阻火單元長度越長，火焰抑制器流阻越大。因此，在火焰抑制器設計過程中，在滿足阻火、耐燒及結構強度等設計要求下，應選取較大的六邊形通道邊長、較小的六邊形通道壁厚和阻火單元長度。

關鍵詞：火焰抑制器;流阻特性;阻火單元;試驗;數值計算

中圖分類號：V228.7 文獻標識碼：A

1980年，美國航空防火抑爆委員會（SAFER）回顧了自1960年起全球運輸類飛機發生的油箱爆炸事故，對能夠延遲地面狀態的火焰蔓延和隨之而來的油箱爆炸事故的幾種方法進行對比評估，如油箱惰化系統、通氣口安裝火焰抑制器及燃油箱抑爆系統等，SAFER發現在油箱通氣口安裝火焰抑制器是當時最切實可用的方法[1-5]，并在其發布的總結性報告中明確了在油箱出口和通氣管路上安裝火焰抑制器的重要性。

SAFER的結論極大地促進了機載火焰抑制器的研究與開發，目前火焰抑制器已廣泛應用于各類飛機燃油箱通氣系統之中，用于延遲地面火焰的蔓延和隨后產生的爆炸，為全體乘員的安全疏散提供更多時間。在國外，機載火焰抑制器已是較為成熟的航空貨架商品，獲得了廣泛應用;但在國內，由于民用飛機研制工作剛剛起步，國產機載火焰抑制器研究與應用較少。

因此，本文對火焰抑制器流阻特性進行了理論和試驗研究，其研究結果可以為國產機載火焰抑制器的設計提供依據，滿足國內飛機研制任務的迫切需要，對于民用飛機和軍用飛機的發展都將起到積極的促進作用。

1 火焰抑制器結構形式及原理

自從Humphry Davy應用金屬絲網結構解決19世紀經常發生的礦井爆炸事故以來，多種不同結構類型的火焰抑制器被提出并應用[6]，這些火焰抑制器都遵循了一個基本原理，即移除火焰中的熱量使得火焰溫度達到不能支持燃燒的溫度，從而造成火焰淬熄[7]。機載火焰抑制器結構如圖1所示，它由阻火單元和外殼組成，通過法蘭與管道連接。外殼具有高強度高抗爆能力，可抵擋由于雷電所引發的爆燃或爆轟沖擊;內部的阻火單元是機載火焰抑制器的核心，由多個特定尺寸的狹窄通道組成[8]。目前，六邊形阻火單元結構是機載火焰抑制器應用最多的結構形式。

2 火焰抑制器流阻數學模型

2.1 流通面積比

本節選取六邊形阻火單元結構火焰抑制器為研究對象，在一定尺寸管道、通道壁厚及特征尺寸條件下，計算其流通面積比（流通面積/管道橫截面積）。分析計算的基礎條件為：六邊形通道邊長L_n=0.866mm，六邊形通道壁厚w=0.1mm，所以六邊形通道外邊界的邊長L_w=0.924mm，外邊界次對角線距離D=1.6mm，方形通道截面長A=88mm，方形通道截面寬B=22mm，其結構原理如圖2所示。

六邊形通道外邊界邊長：

六邊形外邊界次對角線長度：

對于第i層，六邊形次對角線距離頂邊的距離為：

h（i）=h（i-1）+1.5L_w（3）

對于奇數層：

m（i）=B（4）

對于偶數層：

m（i）=B-D/2（5）

第i層六邊形單元個數：

n（i）=m（i）/D（6）

第i層流通面積：

S（i）= n（i）·L_n·L_n·sin（π/3）·3（7）

流通面積比：

以上各式中的符號意義與圖1一致。計算得到的流通面積比R_a=82.6%。

2.2 流動阻力

流體流經火焰抑制器時，一般在阻火單元進口處發生流動收縮，而在出口處發生流動膨脹。這種突然的流動收縮和膨脹，都會引起附加的流體壓力損失;此外，流體流經阻火單元時會有摩擦損失。這些損失的綜合，就構成了流體的總壓力損失，其大小標志著火焰抑制器的阻力特性[9]。

圖3表示火焰抑制器內部流動情況，流體由截面1-1流入截面a-a時的壓力損失由兩部分組成：（1）由于面積收縮，流體的動能增加引起的壓力損失，是流體壓力能與動能之間的能量轉換。這種壓力變化是可逆的。（2）由于突縮段不可逆自由膨脹引起的壓力降低。流體經過收縮斷面產生邊界層分離，隨著收縮斷面下游速度分布的變化，動量速率也發生變化，從而引起相應的壓力變化[9]。一般情況下，流體流經火焰抑制器的密度變化很小，通常可作常密度處理。假設截面1-1，a-a，b-b，2-2處的流體速度分別為u₁，u_a，u_b，u₂。

由質量守恒可得：

u₁=u₂（9）

u_a=u_b（10）

Q=ρ·u₁·A=ρ·u_a·A·R_a（11）

入口處流體動能增加量為：

則進口壓力損失可以表示為：式中：ρ為流體密度，單位為kg/m³;R_a為火焰抑制器流通面積比;A為火焰抑制器入口截面積，單位為m³;Q為流體的質量流量，單位為kg/s;K₁為進口壓力損失系數。

同樣，流體由截面b-b到截面2-2的出口壓力回升分成兩部分：（1）由于流動截面積變化引起的壓力升高，不考慮摩擦，其表達形式與人口壓力損失相同;（2）由于突擴段不可逆自由膨脹和動量變化引起的壓力損失[9]。則出口壓力回升表示為：式中：K₂為出口壓力損失系數。

火焰抑制器阻火單元內的壓力損失主要由流體與壁面之間的黏性摩擦損失引起的。對單個阻火單元通道的截面a-a到截面b-b的控制面應用動量定理，可得：式中：S為單個阻火通道橫截面積，單位為m²;L_n為六邊形通道邊長，單位為m; f為摩擦因子;Q_i為單個通道的流量，單位為kg/s。

則流體流過阻火單元的壓力降可以表示為：

因此，火焰抑制器的總壓降為：

ΔP=Δp₁-△p₂+△p₃（19）

3 流阻特性試驗系統

在國際上，火焰抑制器的性能檢測屬于壟斷技術，歐美國家已經建立了相對完善的理論體系和技術規范;然而國內在該領域的研究開展較晚，在一些基礎問題和關鍵技術方面仍存在很多缺陷，目前國內尚未有火焰抑制器性能測試的專業試驗機構及完整的測試系統，而且性能測試標準大多參考的國外相關標準，更新周期長，體系不完善。目前國內外關于火焰抑制器的相關標準有歐洲標準EN-12874、國際標準ISO-16852、美國民航局適航標準AC25.975、中國石油天然氣行業標準SH/T3413-1999、國家標準GB5908-2005和國家標準GB/T13347-2010等。本文流阻特性試驗以國家標準GB/T13347-2010中提到的壓力損失、通氣量試驗為基準，同時參考美國民航局適航標準AC25.975[5]、PARKER公司阻火器測試報告[10]中的流通性能測試方法，考慮到通過機載火焰抑制器的流動介質為空氣和航空燃油，因此，在壓力損失方面要分為對這兩種介質進行測定。

3.1 空氣流通試驗

將火焰抑制器安裝在空氣流通測試裝置上，測試原理如圖4所示。

從火焰抑制器人口端通入試驗介質，在進氣口附近用壓力計、溫度計測定空氣狀態。試驗介質所用空氣狀態為：絕對壓力0.1MPa，溫度20℃，相對濕度50%，密度1.2kg/m³。

起動風機，調節閥實現流量的調節，試驗起初的空氣體積流量為0.2832m³/min，然后流量依次增加0.1419m³/min，直至增加到體積流量為2.1238m³/min為止。記錄每個流量下的火焰抑制器壓降值。

3.2 燃油流通試驗

將火焰抑制器安裝在燃油流通測試裝置上，測試原理如圖5所示。

從火焰抑制器入口端通入燃油，在進氣口附近用壓力計、溫度計和流量計測定燃油狀態，試驗所用燃油狀態為：溫度范圍為15～27℃，密度為0.803～0.810。

通過調節流量控制閥實現燃油的流量控制，試驗起初通過火焰抑制器的燃油體積流量為0.0379m³/min，然后流量依次增加0.0379m³/min，直至增加到體積流量為0.4542m³/min為止。記錄每個流量下的壓降值。

在試驗中發現，空氣流過火焰抑制器的流阻很小（小于1kPa），受壓差計誤差影響太大，因此測得的流阻數據沒有參考價值，所以僅將燃油流通試驗結果與

參考文獻[10]中的試驗結果及本文計算結果進行對比，結果如圖6所示。

從試驗結果可以看出，流過火焰抑制器的流阻隨流量增加呈增大趨勢，本文計算結果和兩組試驗數據在小流量情況下比較吻合，在大流量情況下偏差較大，這是因為試驗過程中，整個試驗夾具放置在一個大油箱內，油箱內燃油積累到一定程度時再開啟循環油泵抽走油箱內的燃油。在流量較大時，油箱內的燃油不能及時抽走，致使油面超過了火焰抑制器出口，所以使得讀數偏大。因此可認為本文所推導的數學模型基本正確，能夠用于后續工程設計計算。

4 結構參數對流阻的影響

在火焰抑制器設計過程中，主要的結構參數有：六邊形通道邊長L_n、六邊形通道壁厚w和阻火單元長度L。本節應用本文建立的數學模型，在一定的管道尺寸下，計算了不同六邊形通道邊長、六邊形通道壁厚和阻火單元長度下的火焰抑制器流阻特性，結果如圖7～圖9所示。

圖7選取了4種不同的六邊形通道邊長，得到了火焰抑制器的P-Q曲線，從圖中可知，隨著六邊形通道邊長的減小，火焰抑制器的流阻急劇增大，而且當六邊形通道邊長達到0.75mm時，增加六邊形通道邊長帶來的流阻降低不明顯。六邊形通道尺寸決定著火焰抑制器是否能夠使火焰有效淬熄，因此，在火焰抑制器設計時，為尋求最小的流通阻力，應在阻火能力范圍內選取最大的六邊形通道邊長，因此，根據火焰抑制器阻火要求，針對不同等級氣體的六邊形通道邊長選型結果見表1。

圖8選取了三種不同的六邊形通道壁厚，得到了火焰抑制器的P-Q曲線，從圖中可知，隨著六邊形通道壁厚的增加，火焰抑制器的流阻急劇增大，同時六邊形通道壁厚影響著整個火焰抑制器的結構強度，因此，在火焰抑制器設計過程中，應折中考慮結構強度與流動阻力，選取最優的六邊形通道壁厚。工程應用中，火焰抑制器要求的破損壓力達137.90kPa，火焰抑制器阻火芯的材料為321不銹鋼，因此，推薦選用的最優六邊形通道壁厚為0.1mm。

圖9選取了4種不同的阻火單元長度，得到了火焰抑制器的p-Q曲線，從圖中可知，阻火單元長度越長，火焰抑制器流阻越大;同時阻火單元越長，火焰抑制器的耐燒性能越好，因此在火焰抑制器設計過程中，應在保證設計要求的耐燒能力下，選取最小的阻火單元長度。根據AC25.975要求，火焰抑制器應能夠達到2.5min的耐燒時間要求，且燃油流量為24m³/h時，燃油通過火焰抑制器時產生的壓降不能超過17.24kPa，因此推薦選用的阻火單元長度為50mm。

5 結論

通過分析，可以得出以下結論：

（1）本文建立的六邊形阻火單元火焰抑制器流阻特性數學模型具有較好的準確性，可以擴展到其他類型火焰抑制器及相似結構裝置的流阻特性計算中，如耗氧型惰化系統催化反應器、膜分離惰化系統臭氧轉換器等，具有較強的工程應用背景。

（2）火焰抑制器的結構參數對其流阻特性的影響較大，火焰抑制器的流阻與六邊形通道邊長成反比，與六邊形通道壁厚及阻火單元長度成正比。

（3）設計過程中，應綜合考慮耐燒、阻火、結構強度和流阻性能，在滿足其他幾項性能條件下，為了保證良好的流阻特性，火焰抑制器六邊形通道邊長應盡量大，六邊形通道壁厚和阻火單元長度應盡量小。

參考文獻

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