民機飲用水系統(tǒng)供水管路流動性能計算研究

張玉瑩 朱翀 張雪蘋

摘 要

飲用水系統(tǒng)是民用客機中不可缺少的重要系統(tǒng)。在飲用水系統(tǒng)的設(shè)計過程中，供水管路的設(shè)計尤為重要。供水管路中飲用水在不同飛行工況、不同出水口使用條件下的流動性能有所差異。本文以某型民機飲用水系統(tǒng)供水管路作為研究對象，采用FLOWMASTER管網(wǎng)系統(tǒng)對供水管路不同飛行工況、不同水龍頭同時使用的穩(wěn)態(tài)流量進行計算，以驗證供水管路的流動性能。

關(guān)鍵詞

民用飛機;飲用水系統(tǒng);流動性能;FLOWMASTER

中圖分類號： V223.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.026

民機飲用水系統(tǒng)[1]是在機內(nèi)儲存并提供足夠量的水，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。

飲用水系統(tǒng)主要由飲用水箱、供水管路、通氣溢流閥、水龍頭、壓力傳感器等組成部件。飲用水系統(tǒng)將水儲存在水箱中，通過增壓方式將水通過管路輸送到廚房與盥洗室供使用。某型民機具有前廚房水龍頭、前盥洗室水龍頭、后左盥洗室水龍頭、后右盥洗室水龍頭、后廚房水龍頭，即該機型飲用水系統(tǒng)供水管路中具有5個出水口。飲用水系統(tǒng)的運營場景包括地面和巡航兩個階段，因此飲用水系統(tǒng)設(shè)計需考慮系統(tǒng)不同飛行工況、不同出水口同時使用情況對供水管路流動性能的影響。本文以某型民機飲用水系統(tǒng)供水管路的流動性能計算為例進行研究，為供水管路布置、飲用水系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 計算方法

FLOWMASTER是全球領(lǐng)先的熱流體系統(tǒng)仿真軟件，先進的虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)能夠輔助工程師完成各種復(fù)雜系統(tǒng)的仿真工作，從而應(yīng)對現(xiàn)代化的系統(tǒng)設(shè)計流程。FLOWMASTER軟件進行的一維流體系統(tǒng)仿真是基于：利用實驗數(shù)據(jù)設(shè)置元件的工作參數(shù)，從而得到元件的進出口的流量、壓力等物理量。FLOWMASTER具有豐富的元件數(shù)據(jù)庫，每個元件都有特定的數(shù)學(xué)模型，并具有相應(yīng)的輸入輸出和特征參數(shù)，并且具有自定義元件功能，支持用戶根據(jù)系統(tǒng)特點對元件進行自定義創(chuàng)建。在民機飲用水系統(tǒng)供水管路流動性能計算中用到了FLOWMASTER軟件[2]中的直管模型、彎管模型、壓力源模型、節(jié)流閥模型等，其中直管和彎管模型用于模擬供水管路的流動，壓力源模型用于模擬水龍頭出水口座艙壓力以及簡化模擬供水管路水箱，節(jié)流閥模型用于模擬水龍頭出水口。

2 計算模型與計算條件

飲用水系統(tǒng)供水管路是連接飲用水箱和系統(tǒng)出水口的一組管網(wǎng)，用于將水輸送至各個出水口。不同座艙壓力及飲用水系統(tǒng)增壓和不同出水口同時使用情況會對飲用水系統(tǒng)的出水流量造成影響。

本文以某型民機飲用水系統(tǒng)供水管路作為研究對象。該型民機飲用水系統(tǒng)飲用水箱位于水廢水艙。系統(tǒng)將儲存于水箱中的飲用水通過增壓方式向前輸送至前廚房和前盥洗室，向后輸送至后廚房、后左盥洗室和后右盥洗室，因而飲用水系統(tǒng)供水管路從水箱出口開始，向前經(jīng)過中后機身三角區(qū)、穿過中央翼區(qū)連接至前機身的前廚房和前盥洗室，向后連接位于水廢水艙的后廚房、后左盥洗室和后右盥洗室。因系統(tǒng)布置的需要，飲用水系統(tǒng)前機身和后機身供水管路采用軟管管路，而中央翼區(qū)的管路采用硬管管路。根據(jù)飲用水系統(tǒng)布置，可知前廚房和前盥洗室距離后盥洗室約30m，后盥洗室和后廚房相距3m，兩后盥洗室之間相距3m;中央翼區(qū)的供水管路硬管長度約2m，前機身供水管路軟管和后機身供水管路軟管長度分別為12m和13m。根據(jù)以上分析，建立如圖1所示的飲用水系統(tǒng)供水管路流動性能計算模型。

考慮不同出水口同時使用情況對飲用水系統(tǒng)供水管路流動性能影響時，對于出口壓力，本文選取飛機正常巡航座艙壓力0.8bar;對于入口壓力，本文選取水箱增壓的最小設(shè)計壓力2.2bar;按選擇距離水箱最遠(yuǎn)端水龍頭出水的原則分別計算1個出水口出水、2個出水口同時出水、3個出水口同時出水、4個出水口同時出水、5個出水口同時出水的工況。考慮不同系統(tǒng)壓差情況對飲用水系統(tǒng)供水管路流動性能影響時，本文選取飛機最大使用高度、飛機正常巡航高度和飛機最低起降海平面高度時飲用水系統(tǒng)壓差計算5個出水口同時使用的工況。飲用水系統(tǒng)供水管路最小出水口流量的設(shè)計指標(biāo)為3.15e-5m3/s。

本文計算將水箱簡化為壓力源元件，水龍頭簡化為節(jié)流閥元件，管路選用FLOWMASTER中的Cylindrical Rigid Pipe，摩擦力模型選用Hazen-Williams Equation，Hazen-Williams摩擦系數(shù)選用FLOWMASTER中對于光滑水管的推薦值135。本文仿真模型采用不可壓縮穩(wěn)態(tài)模型進行計算。

3 計算結(jié)果及分析

飲用水系統(tǒng)供水管路在飛機正常巡航時不同出水口流量和不同飛行工況時5個出水口中最小流量計算結(jié)果分別見表1與表2。

由表1供水管路流動性能計算結(jié)果可知，在飛機正常巡航時，隨著出水口同時使用的數(shù)量增加，供水管路總流量不斷增加，同一出水口的流量隨之減小，最小流量為0.000152m3/s，滿足飲用水系統(tǒng)供水管路最小出水口流量的設(shè)計指標(biāo)3.15e-5m3/s。分析表1數(shù)據(jù)還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出水口同時使用的個數(shù)超過3個時，后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后廚房出水口的流量明顯大于前廚房出水口和前盥洗室出水口流量，因此在飲用水系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)考慮對后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后廚房出水口增加局部阻力，使得各出水口流量分配趨于平均。

分析表2數(shù)據(jù)可知，飲用水系統(tǒng)供水管路壓差減小時，最小出水口流量值也隨之減小;最小流量為9.8e-5m3/s，滿足飲用水系統(tǒng)供水管路最小出水口流量的設(shè)計指標(biāo)3.15e-5m3/s。

綜上所述，在飛機最大使用高度、飛機正常巡航高度、飛機最低起降海平面高度條件下，前廚房出水口、前盥洗室出水口、后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后廚房出水口同時使用的情況下，最小出水口流量均大于3.15e-5m3/s。因此，供水管路流動性能可滿足飲用水系統(tǒng)供水管路最小出水口流量設(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié)語

本文以某型民機飲用水系統(tǒng)供水管路作為研究對象，提出了采用FLOWMASTER管網(wǎng)系統(tǒng)對供水管路的流動性能進行計算的方法。根據(jù)該方法的計算結(jié)果可知在飛機不同飛行工況、不同數(shù)量出水口同時使用情況對飲用水系統(tǒng)供水管路流動性能的影響，得到最小出水口流量均可滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)。為了優(yōu)化分配供水管路中出水口流量，建議對后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后廚房出水口適當(dāng)增加局部阻力，保證飲用水系統(tǒng)各出水口流量趨于平均。

參考文獻

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

[2]朱翀.民用飛機水系統(tǒng)管路流動的數(shù)值模擬[J].航空工程進展，2014，5（4）：515-520.