民機供水系統空氣管路傳熱計算研究

朱翀 雷美玲 肖世旭 張雪蘋 馬巖

【摘 要】供水系統是民用客機中不可缺少的重要系統。在供水系統的設計過程中，空氣管路設計是很重要的一個部分。由空氣管路導入水箱的高壓氣體溫度將會直接決定著水箱內的水溫。本文以某型民機供水系統空氣管路作為研究對象，采用Flowmaster管網系統對空氣管路的傳熱性能進行計算，以驗證空氣管路的傳熱性能。

【關鍵詞】民用飛機；供水系統；空氣管路；傳熱計算

中圖分類號： V223.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）13-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.019

民機供水系統[1]是在機內貯藏并提供足夠量的水，為機上廚房及盥洗室提供飲用水、冷熱盥洗用水和馬桶沖洗用水，以滿足乘客機上生活的需要。

供水系統將水貯藏在水箱中，通過增壓方式將水通過管路輸送到廚房與盥洗室供使用。目前民機供水系統主流的增壓方式是以氣源系統引氣增壓為主，配套空氣壓縮機增壓為輔，該種增壓方式在CRJ700/900、ERJ170/190、B737均有應用。從氣源系統引氣用于為供水系統增壓同時也帶來一個問題，即氣源系統內高壓氣體都是高溫氣體。

從氣源系統將高溫高壓氣體引入供水系統水箱的管路一般可稱為供水系統空氣管路（以下簡稱空氣管路），空氣管路內的高溫氣體會對空氣管路布置、供水系統設計都提出要求。本文以某型民機供水系統空氣管路的傳熱計算為例進行研究，為空氣管路布置、供水系統設計提供參考。

1 計算方法

FLOWMASTER軟件基于網絡流體算法，該方法特點是將系統的結構分解成由相應元件和節點組成的網絡，用有限的元件和流動介質類型描述各種結構的系統。網絡采用質量守恒原理和節點壓力殘量修正法計算，具有良好的通用性和可操作性，且按穩定性和收斂性也較好，可用來建立空氣管路的模型，計算出各個元件及節點的溫度、流量等性能參數。同時，FLOWMASTER具有豐富的元件數據庫，每個元件都有各自的數學模型，并具有相應的輸入輸出和特征參數。在民機供水系統空氣管路傳熱計算中用到了FLOWMASTER軟件[2]中的直管模型與壓力源模型，其中直管模型用于模擬空氣管路的流動與傳熱，壓力源模型用于模擬空氣管路一段的氣源入口與水箱出口。

2 計算模型與計算條件

供水系統空氣管路是連接氣源系統與供水系統水箱的一段管路，用于將氣源系統內的高溫高壓氣體引入到供水系統水箱內，為整個供水系統增壓。同時空氣管路還擔負著散熱以降低增壓氣體到達水箱時的溫度。

本文以某型民機供水系統空氣管路作為研究對象。該型民機氣源系統總管位于機尾球面框之后，因此供水系統空氣管路從球面框之后的氣源總管始，進入球面框后繼續向前直至到達水箱。球面框之后為非溫控、非氣密區，球面框之前為氣密區，根據空氣管路途徑的周圍環境區別，將空氣管路分為兩段，一段為氣源系統總管到球面框段（非溫控、非氣密區內，稱為A段），一段為球面框到水箱段（氣密區，稱為B段）。由于空氣管路B段位于氣密區，其布置位置受到限制，因此其長度基本是固定的，經估算其長度約為8m；而空氣管路A段位于非溫控、非氣密區，其布置相對靈活，長度可以調整。根據以上分析，建立如圖1所示的空氣管路傳熱計算模型。

空氣管路的傳熱除了與管路自身的布置有關外，還與管路內的熱流量與周圍環境溫度有關。管路內的熱流量是由管路內空氣流量與溫度共同決定的，而管路內空氣流量又是由氣源總管內壓力與水箱內壓力共同決定的。管路內空氣流量是一個變化的值，在從氣源系統總管剛開始引氣到最終穩定狀態，管路內流量是由大變化小的，本文選取剛開始引氣階段（狀態一）與引氣穩定階段（狀態二）作為計算工況，狀體A中氣源端壓力為45psi、水箱端壓力為14.7psi，狀體B中氣源端壓力為45psi、水箱端壓力為42psi。

周圍的環境溫度對空氣管路的傳熱也有著非常大的影響，本文選取空氣管路最惡劣工況作為計算狀態，非氣密區環境溫度為50℃，氣密區環境溫度為25℃。

3 計算結果及分析

空氣管路狀態一、狀態二的傳熱計算結果分別見表1與表2。

由表1、表2中的空氣管路傳熱計算結果可知，在周圍環境溫度一定的條件下，A段管路長度越長，空氣管路水箱端溫度越低，即空氣管路的散熱效果越好。可以看出在同樣工況下雖然A段管路長度的增加使管路內流量變小，但是由于增加了空氣管路與周圍環境的傳熱接觸面，總體來說同樣工況下A段管路長度的增加更有利于空氣管路的散熱。

圖2為空氣管路狀態一與狀態二計算結果的比較，由圖可知在A段管路同樣長度的條件下，狀態一空氣管路水箱端溫度遠高于狀態二空氣管路水箱端溫度。說明在同樣的管路長度下管路內流量較小時，管路的傳熱效率更高。也說明了對于空氣管路傳熱問題，狀態一是比狀態二更為嚴酷的工況。

根據供水系統的設計經驗，為了保證水箱內水的衛生狀況，需保持水溫不超過60℃。根據以上計算結果可知，為了滿足水溫的要求，空氣管路A段的長度至少應達到7m。

4 結語

本文以某型民機供水系統空氣管路作為研究對象，提出了采用Flowmaster管網系統對空氣管路的傳熱性能進行計算的方法。根據該方法的計算結果可知空氣管路的長度對其傳熱性能具有較大的影響。為了滿足水箱內水溫的要求，在系統設計時必須對空氣管路進行傳熱性能計算，以保證由空氣管路進入水箱的高壓氣體溫度在適當范圍內。

【參考文獻】

[1]雷美玲.新型民用客機水系統選型研究[J].航空工程進展，2012，3（2）： 229-234.

[2]黃小玲.基于FLOWMASTER的疊壓供水仿真研究[D].南昌：南昌大學，2009.