燃油箱耗氧惰化與中空膜惰化的數(shù)值模擬及比較

王蘇明，馮詩愚，李宗祺，彭孝天，劉衛(wèi)華

（南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院 飛行器環(huán)境控制與生命保障工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實驗室，南京210016）

飛機(jī)燃油系統(tǒng)的起火或爆炸是造成各類軍機(jī)民機(jī)失事的主要原因之一［1-2］。自1996年7月環(huán)球航空公司TWA800飛機(jī)飛行事故以來，燃油箱的安全性受到了國內(nèi)外高度重視［3］。

機(jī)載惰化技術(shù)中，由于Halon1301的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，Halon1301惰化技術(shù)應(yīng)用于F-16、F-20等飛機(jī)中［4］。但是Halon1301對環(huán)境有很大破壞，隨后發(fā)展的采用中空纖維膜制取富氮?dú)怏w的機(jī)載惰化氣體產(chǎn)生系統(tǒng)（On-Board Inert Gas Generation System，OBIGGS）由于經(jīng)濟(jì)實用的特點(diǎn)應(yīng)用于F-15、F-22、F-35等飛機(jī)中，其富氮?dú)怏w（Nitrogen Enriched Air，NEA）的氮含量通常在88% ～98%之間［5-6］。只要保證燃油箱氣相空間的氧濃度低于極限氧濃度（Lim itation Oxygen Concentration，LOC），則能保證燃油箱被惰化。但是，OBIGGS存在對氣源壓力要求高、分離膜容易被污染等缺點(diǎn)［7-8］。

近年來，美國提出了新一代機(jī)載惰化技術(shù)——耗氧型惰化系統(tǒng)，即機(jī)載綠色惰化氣體產(chǎn)生系統(tǒng)（Green On-Board Inert Gas Generation System，GOBIGGS），其基本原理是：從燃油箱上部空間提取空氣和燃油蒸汽，通過催化氧化反應(yīng)器進(jìn)行可控的催化反應(yīng)，其反應(yīng)器出口的惰化氣體為CO2、N2和少量未反應(yīng)的O2，稱為缺氧空氣（Oxygen Depelated Air，ODA）。從國外文獻(xiàn)報道來看，由于無需從發(fā)動機(jī)引氣，其代償損失小，同時相比OBIGGS，其擁有更高的惰化效率［9-11］。

目前國內(nèi)對燃油箱惰化技術(shù)研究主要集中在中空膜惰化和燃油洗滌惰化方面［12-14］，對GOBIGGS技術(shù)的研究起步較晚，目前還只停留在國外資料消化和前期的系統(tǒng)仿真階段，例如馮詩愚等［15］在進(jìn)行了大量簡化的前提下，采用集中參數(shù)法對其進(jìn)行了0維瞬態(tài)仿真，分析了反應(yīng)器效率對惰化性能的影響。但是NEA和ODA氣體組成成分存在差異，特別是ODA中含有CO2，其密度遠(yuǎn)大于N2和O2，因此2種氣體充入燃油箱后濃度的分布和流動狀態(tài)必然存在差異。有鑒于此，本文采用CFD方法對OBIGGS和GOBIGGS兩種系統(tǒng)進(jìn)行模擬，得到燃油箱上部空間各組分流動情況，并與燃油箱中空膜技術(shù)的惰化效率進(jìn)行比較，為中國的新一代機(jī)載惰化技術(shù)研究工作提供支持。

1 計算方法與數(shù)學(xué)模型的建立

本文對OBIGGS與GOBIGGS惰化過程分別建立了數(shù)學(xué)模型，并采用Fluent模擬軟件進(jìn)行模擬，選取Jet A燃油作為研究對象，其分子式可以簡化為C12H23，現(xiàn)作出如下假設(shè)：

1）燃油箱內(nèi)氣體視為理想氣體。

2）計算步長內(nèi)，各種氣體充分混合。

3）在指定溫度下，燃油箱內(nèi)燃油蒸汽的體積分?jǐn)?shù)保持不變。

4）2種模型下，恢復(fù)平衡狀態(tài)所需的弛豫時間遠(yuǎn)小于時間步長Δt。

5）GOBIGGS模型下，反應(yīng)器內(nèi)燃油蒸汽與O2充分反應(yīng)，且水蒸氣去除完全。

1.1 幾何模型與數(shù)值計算方法

對2種系統(tǒng)模擬采用相同的燃油箱模型，燃油箱為立方體結(jié)構(gòu)，帶有氣體入口、出口和補(bǔ)氣口（見圖1），燃油箱容積為2.5m3，長寬高如圖所示，入口、出口以及補(bǔ)氣口面積均為9.4×10-3m2，為了防止補(bǔ)氣口可能出現(xiàn)的回流，增加一個高度為0.15m的補(bǔ)氣管道，區(qū)別在于對OBIGGS進(jìn)行模擬時，將補(bǔ)氣口設(shè)置為壁面邊界條件，即OBIGGS不存在補(bǔ)氣口。

本文采用ICEM CFD對燃油箱進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高網(wǎng)格精度，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格如圖2所示，對孔口位置進(jìn)行加密，最小網(wǎng)格尺度為2 cm。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometry model

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation

采用Fluent19.0進(jìn)行計算模擬，2種模擬方式速度壓力耦合均采用壓力隱式算子分割（Pressure Implicitwith Splitting of Operators，PISO）算法，并采用相同的控制方程，對于NEA和ODA的流動問題除遵循Navier-Stokes方程組外，同時由于計算域內(nèi)組分在質(zhì)量濃度梯度驅(qū)動下由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的擴(kuò)散，因此還需要求解組分輸運(yùn)方程。由于整個過程沒有發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，組分輸運(yùn)方程不考慮化學(xué)反應(yīng)的凈生成率以及自定義源項產(chǎn)生的額外生成速率。因此，控制方程主要由質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分輸運(yùn)方程組成，即

式中：Δ為數(shù)學(xué)符號，表示矢量的微分；ui為xi方向速度；fi為自定義動量源項；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；p為壓力；cp為定壓比熱容；ST為自定義熱源項；V為速度；ρ為密度；ν為運(yùn)動學(xué)黏度；T為溫度；Yn為組分n的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Jn為組分n的擴(kuò)散通量；對于OBIGGS，n＝1，2分別表示O2和N2；對于GOBIGGS，n＝1，2，3，4分 別 表 示O2、N2、CO2、H2O。

經(jīng)計算入口雷諾數(shù)Re＝680，因此采用層流模型，對于層流：

式中：Dn，m為組分n的擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 2種系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

1）OBIGGS數(shù)學(xué)模型

OBIGGS將一定體積流量一定氧濃度的NEA從入口充入燃油箱與燃油箱內(nèi)氣體混合后從出口排出，從而對燃油箱進(jìn)行惰化，入口處O2的質(zhì)量

2 燃油箱數(shù)值模擬結(jié)果驗證與分析

2.1 燃油箱中空膜數(shù)值模擬結(jié)果驗證

為驗證本文建立的數(shù)值模擬方法的正確性，將模擬計算結(jié)果與文獻(xiàn)［16］的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，采用NEA4進(jìn)行中空膜惰化，NEA體積流量分別為56.6、111.2、152.9 L／min，燃油箱內(nèi)初始O2摩爾分?jǐn)?shù)為0.21。

圖5為燃油箱氣相空間O2摩爾分?jǐn)?shù)隨時間的變化關(guān)系。從圖中可以看出，惰化進(jìn)行至1 600 s，體積流量為56.6 L／min時，利用CFD技術(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合得較好。隨著體積流量增大，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的差距也在增大。惰化進(jìn)行至1 600 s，體積流量為152.9 L／min時，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果顯示的燃油箱內(nèi)O2摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.075和0.07，相差6.7%。本文主要對比GOBIGGS與OBIGGS兩種系統(tǒng)的惰化原理與惰化性能的差異，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差在可接受的范圍內(nèi)，這證明了本文體積模擬方法的準(zhǔn)確性和可行性。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［16］實驗數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of numerical simulation results with experimental data of Ref.［16］

2.2 OBIGGS和GOBIGGS數(shù)值模擬結(jié)果

將GOBIGGS的出口的抽吸氣體積流量設(shè)置為111.2 L／min，根據(jù)文獻(xiàn)［17］，40℃時，燃油箱上部空間的燃油蒸汽的體積分?jǐn)?shù)為0.8%。入口體積流量與入口組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過UDF加載至Fluent，得到GOBIGGS的燃油箱上部空間O2摩爾分?jǐn)?shù)隨時間的變化關(guān)系，同時計算出相同體積流量下NEA0的OBIGGS的燃油箱上部空間O2摩爾分?jǐn)?shù)隨時間的變化關(guān)系，如圖6所示，對于GOBIGGS燃油箱入口和出口中O2與CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間的變化關(guān)系，如圖7所示。

從圖6和圖7中可以看出，GOBIGGS惰化階段分為2個階段：第1階段，開始到660 s時O2充足，ODA中O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速降低，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，燃油箱內(nèi)部O2摩爾分?jǐn)?shù)下降速度逐漸增大；第2階段，660 s以后O2不足，此后ODA中O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)為0，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定，忽略O(shè)DA中的燃油蒸汽，此時ODA中只有N2和CO2，燃油箱上部空間O2摩爾分?jǐn)?shù)隨時間變化關(guān)系趨于NEA0時OBIGGS燃油箱上部空間O2摩爾分?jǐn)?shù)隨時間變化關(guān)系。

圖6 不同模型下O2 摩爾分?jǐn)?shù)隨時間變化關(guān)系比較Fig.6 Comparison of oxygen mole fraction variation with time under differentmodels

圖7 GOBIGGS燃油箱入口O2 和CO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化關(guān)系Fig.7 Time-dependent oxygen and carbon dioxide mass fractin at fuel tank inlet of GOBIGGS

圖8 不同體積流量、不同模型下O2 摩爾分?jǐn)?shù)隨時間變化關(guān)系比較Fig.8 Comparison of oxygen mole fraction variation with time under different volume flow rates and differentmodels

圖8將體積流量分別為111.2 L／m in和152.9 L／min的OBIGGS與體積流量為111.2 L／min的GOBIGGS燃油箱上部空間O2摩爾分?jǐn)?shù)隨時間的變化關(guān)系進(jìn)行了對比。從圖中可以看出，在相同體積流量下，第1階段，由于ODA中O2摩爾分?jǐn)?shù)在前期一段時間內(nèi)高于NEA4的OBIGGS的惰化氣體中O2摩爾分?jǐn)?shù)，GOBIGGS的燃油箱上部空間O2摩爾分?jǐn)?shù)略高于OBIGGS，但隨著GOBIGGS惰化氣體中O2摩爾分?jǐn)?shù)持續(xù)下降，GOBIGGS的燃油箱上部空間O2摩爾分?jǐn)?shù)的下降速度迅速增大，3種計算條件O2摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到9%所需時間從小到大依次為1 196、1 238、1 697 s，可以看到，相同體積流量下，GOBIGGS的惰化效果遠(yuǎn)好于NEA4的OBIGGS，且體積流量為111.2 L／min的GOBIGGS的惰化時間小于體積流量為152.9 L／min的NEA4的OBIGGS的惰化時間。

2.3 OBIGGS和GOBIGGS的O 2 摩爾分?jǐn)?shù)分布

圖9給出了圖8中2個交點(diǎn)A、B處的流場分布圖。圖9（a）為在400 s時，體積流量均為111.2 L／min的GOBIGGS和OBIGGS的流場分布圖；圖9（b）為在1 100 s時，體積流量分別為111.2 L／min和 152.9 L／m in 的 GOBIGGS 和OBIGGS的流場分布圖。

從圖9可以看到，在燃油箱內(nèi)平均O2摩爾分?jǐn)?shù)相同的情況下，兩者O2摩爾分?jǐn)?shù)分布存在顯著差別。對于GOBIGGS，上部空間O2摩爾分?jǐn)?shù)明顯大于下部空間，OBIGGS則相反，主要原因在于NEA中主要?dú)怏w為N2，其密度低于O2，故此會浮在O2上方，而ODA中含有約20%的CO2，其密度遠(yuǎn)大于O2，因此會向下沉積。顯然當(dāng)燃油箱存在燃油時，氣相空間的O2摩爾分?jǐn)?shù)也與此類似。

在兩者平均O2摩爾分?jǐn)?shù)相同，且均小于LOC的情況下，GOBIGGS的安全性優(yōu)于OBIGGS，其原因在于CO2的覆蓋作用，氣-油界面燃油蒸汽最高的區(qū)域被保護(hù)，一旦燃油箱其他局部位置產(chǎn)生燃燒，在CO2的保護(hù)下燃燒不易向氣-油界面擴(kuò)散而加劇燃燒，反而有可能抑制燃燒，OBIGGS則相反。

圖9 不同模型的O2 摩爾分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.9 Oxygen mole fraction distribution contours of differentmodels

3 結(jié) 論

本文建立了GOBIGGS和OBIGGS的數(shù)學(xué)模型，并分別模擬了GOBIGGS與OBIGGS的流場分布，OBIGGS數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相比較顯示數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，研究結(jié)果表明：

1）GOBIGGS惰化過程分為2個階段：第1階段，O2充足時，ODA中O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速降低；第2階段，O2不足時，ODA中O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)為0，此時GOBIGGS使燃油箱氣相空間O2摩爾分?jǐn)?shù)下降曲線與100%NEA的OBIGGS使燃油箱氣相空間O2體積分?jǐn)?shù)下降曲線相近。

2）相同惰化氣體體積流量下，GOBIGGS使燃油箱氣相空間O2摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到LOC所需時間遠(yuǎn)小于OBIGGS；在ODA流量體積為NEA的一半時，GOBIGGS使燃油箱氣相空間O2摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到LOC所需時間仍略小于OBIGGS，主要原因在于ODA中O2含量極低。

3）GOBIGGS對燃油箱進(jìn)行惰化時，氣相空間上部O2摩爾分?jǐn)?shù)大于下部空間O2摩爾分?jǐn)?shù)，OBIGGS則相反，主要原因在于NEA中主要成分為N2，密度小于O2，浮在O2上方，ODA中含有20%左右的CO2，密度大于O2，沉在O2下方。