基于FDS的運輸類飛機貨艙煙霧探測試驗方法研究

侯亞東

(中國飛行試驗研究院, 西安 710089)

對于運輸類飛機,飛機貨艙著火是影響飛機飛行安全的重要因素之一。如果機組在操作中出現微小疏忽和失誤,就可能釀成重大火災,發生機毀人亡的惡性事故[1-2],及早探測火情可有效隆低發生重大災難的概率。因此,各國適航條款均要求貨艙中設置煙霧探測系統?！睹绹摪詈娇諚l例第25部 運輸類飛機適航標準》(FAR 25)和《中國民用航空規章第25部 運輸類飛機適航標準》(CCAR 25)規定:除A級貨艙外,其余等級貨艙均要求安裝有經批準的、獨立的煙霧探測或火警探測器系統,可在駕駛員或飛行工程師工作位置處給出警告。并在 25.858 條款中明確規定:如果申請帶有貨艙或行李艙煙霧探測或火警探測裝置的合格審定,則對于每個裝有此種裝置的貨艙或行李艙,必須滿足下列要求:該探測系統必須在起火后1 min內,向飛行機組給出目視指示;必須表明,探測系統在所有經批準的運行形態和條件下均為有效[3-4]。同時,因為飛行狀態下煙霧探測器靈敏度、貨艙內部氣流均不同于地面狀態,各國適航條款均要求必須通過飛行試驗驗證探測系統的性能。

FAR25/CCAR25部只給出了貨艙煙霧探測系統應滿足的要求,未明確給出符合性驗證方法;咨詢通告25-9A(advisory circular 25-9A, AC25-9A)中給出指南:應使用燜火燃燒產生的少量煙霧模擬探測系統盡可能早地探測到著火,確?；鹁驘熿F探測系統的有效性?；诎踩缘目紤],飛行驗證試驗也不可能通過真實著火情況來驗證,常用的做法是采用人工產生的模擬煙霧來驗證機上煙霧探測系統的性能。各國適航局、飛機制造廠商等研發了多種人工煙霧模擬裝置-煙霧發生器來產生模擬煙霧。由于不同飛機貨艙容積、貨艙構型、貨艙通風構型、煙霧探測器設計原理及構迼、煙霧探測系統在機上的安裝布置位置均不相同,導致在貨艙煙霧探測試驗中煙霧發生器煙霧量大小、試驗工況、發煙設備、發煙點位置等影響試驗結果的關鍵因素缺乏統一的試驗驗證標準,沒有明確的確定原則,因此,如何科學合理的設計煙霧探測試驗方法是煙霧探測試驗成敗的關鍵。

流體力學仿真技術的蓬勃發展為貨艙煙霧探測試驗方法的設計帶來新的途徑和手段[5-7]。目前,文獻[8-11]利用火災動態仿真FDS軟件對火源溫度、大型客杌貨艙行李著火、通風工況、真假煙等效等方面開展了大量仿真研究但相關仿真研究較為分散、不成系統,并沒有提出一套具體的貨艙煙霧探測試驗方法[12-13]。

鑒于此,首先利用 FDS 軟件以某型運輸類客/貨兩用飛機貨艙為模型進行建模,采用煙霧數值模型進行不同發煙位置、貨艙通風/不通風、不同貨艙環境壓力等條件下貨艙煙霧擴散規律研究和煙霧探測器對煙霧的響應研究;然后,結合前期貨艙煙霧探測試驗工程經驗、試驗實際條件和飛機實際使用需求,提出一套完整可行的貨艙煙霧探測試驗方法,為運輸類飛機貨艙煙霧探測系統鑒定提供技術支撐。

1 數值模型建立

1.1 貨艙幾何模型和邊界條件

某型運輸機貨艙幾何模型如圖1所示。貨艙尺寸分別為長24.5 m、高4 m、地板寬4 m;貨艙前端分別是救生設備艙和第三機組操作艙;貨艙后端設有貨艙門;貨艙內共布置有16個煙霧探測器,分別位于貨艙頂部(6個)、貨艙底部(8個)、貨艙地板下方(2個);空調出風口位于貨艙前部的左右側上(左右各一個);煙霧探測器告警邏輯為:當透光率達到96%時輸出告警。

數字和字母組合而成不同位置煙霧探測器名稱,分別代表不同位置的煙霧探測器

模擬工作環境設置為:貨艙環境初始工作溫度298 K;通風口流量、初始溫度和初始壓力根據飛行試驗數據所得。

1.2 火災煙霧數值模型及驗證

為了更加真實模擬真實煙霧的擴散過程,火災煙霧數值模型采用美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)規定的標準火源[14],其材料為林脂塊,該火源燃燒后的煙塵釋放速率、熱釋放速率、CO、CO2和固態小顆粒釋放率等參數由文獻[10]獲得。針對該標準火源,FAA在波音B707飛機貨艙內開展了真實火災煙霧試驗[15-16],借助FAA真實火災試驗數據驗證 FDS 火源模型。

首先,根據文獻[15]采用FDS 軟件,建立貨艙幾何模型:根據貨艙內傳感器類型和位置,進行相關設置。利用FDS 中的“Burner”燃燒模型,設置火源相關參數,完成火源建模。

隨后針對數值模型進行了網格獨立性檢驗,最終將計算域劃分為296×104計算網格。數值仿真結果與FAA試驗結果對比如圖2所示,給出了60、120、180 s時40個熱電偶監測的頂棚煙霧溫度值,可以看到數值仿真結果均位于試驗結果誤差棒范圍內,試驗值與仿真值相差基本±5 K以內。整體而言,仿真結果溫度變化趨勢與試驗一致且誤差較小,仿真可以較好預測試驗值。

圖2 火災煙霧數值模型驗證:溫度場對比Fig.2 Validation of fire smoke numerical model: temperature comparison

CO2和CO濃度的仿真結果與試驗結果對比情況如圖3、圖4所示。整體上看,在60、120、180 s時刻,仿真值位于FAA試驗數據誤差棒內,具有良好的一致性。

FWD代表前測點位置;MID代表中測點位置;REAR代表后測點位置

FWD代表前測點位置;MID代表中測點位置;REAR代表后測點位置

光透率是表征煙霧濃度的最直接參數,在數值計算中,光透率的計算公式為

(1)

式(1)中:LT為光透率,%/m;L為光程長度,m;Cg(x)為煙霧的質量分數,kg/kg;ρ(x)為煙塵密度,kg/m3;σg為消光系數,m3/kg;i為光程分段數;

Δxi為每段光程長度。

仿真計算得到的煙霧探測器位置處光透率數值與FAA試驗數據對比如圖5所示。選取不同時刻90、120、180 s驗證光透率數據,可以看出仿真結果均在試驗誤差棒范圍內。由于SMK1～SMK3位置處于貨艙頂部,火源燃燒后期,其煙霧釋放率隨時間而逐漸下降,頂部煙霧濃度逐漸降低,故SMK1～SMK3位置處在120、180 s煙霧濃度變化不明顯,光透率值接近100%/m,不再進行對比;SMK3～SMK5探測位置在頂棚下方豎直分布,監測煙霧下沉情況,煙霧量在后期逐漸降低,SMK3位置120、180 s數值不再對比仿真與試驗值。煙霧探測器光透率仿真值與試驗數值誤差如表1所示,可以看出,光透率仿真值與試驗數值誤差在3%以內,滿足工程計算要求。

表1 煙霧探測器光透率仿真值與試驗數值誤差Table 1 Error between simulation value and test value of LT of smoke detectors

圖5 火災煙霧數值模型驗證:光透率對比Fig.5 Validation of fire smoke numerical model: LT comparison

1.3 貨艙網格模型建立

針對圖1中的某型運輸機貨艙幾何模型,對貨源附近的網格進行局部加密,通過網格質量驗證,最終網格模型共計422×104網格。

2 不同影響因素下貨艙煙霧擴散特性分析

根據上述經驗證的火災煙霧數值模型,對某型運輸類飛機貨艙進行建模,模擬不同火源位置、貨艙不同通風量、貨艙不同環境壓力等條件下貨艙煙霧擴散規律和煙霧探測性能,為貨艙煙霧探測試驗方法制定提供參考。

2.1 火源位置

通過對貨艙煙霧探測器分布位置的分析,在貨艙內部沿航向均勻布置15個模擬火源點;所有模擬火源點均位于貨艙底部,沿航向共3列,每列共5個,火源點依次編號為1～15,如圖6所示。針對所有火源點分別模擬在最大通風流量條件下不同位置火源點起火后貨艙煙霧探測器告警時間。仿真結果如圖7所示。

圖6 貨艙模擬火源位置Fig.6 Location of simulated fire source in cargo compartment

圖7 不同模擬火源位置煙霧探測器告警時間Fig.7 Alarm time of smoke detector under different simulated fire source positions

結果表明,對于15個不同模擬火源點,貨艙煙霧探測系統響應在24.7～55.1 s范圍內,均滿足在著火1 min內發出告警的要求。其中當火源位于8位置時,煙霧探測系統響應時間最長,為55.1 s;當火源位于10位置時,煙霧探測系統的響應時間最短,為24.7 s。因此,火源位置8是該型飛機貨艙煙霧試驗中要求的最嚴苛火源位置。

2.2 貨艙通風

根據2.1節確定的火源嚴酷位置,依據實際飛行中貨艙通風量試飛數據,選取每個通風口通風量V分別為0、0.064 5、0.129、0.194、0.258 m3/s共5種工況條件進行仿真模擬,分析貨艙煙霧擴散特性和貨艙煙霧探測系統告警性能。

2.2.1 不同通風量下煙霧擴散規律

圖8為火源中心位置XOZ平面的不同時刻5種通風工況下煙霧質量分數分布圖?？梢钥闯?在無通風狀態下,煙霧由于火源的熱浮力驅動在到達貨艙頂部后緊貼頂部運動并均勻向四周擴散;在有通風條件下,可以看到煙霧在貨艙內分布明顯受到通風引起的強制對流影響;由于貨艙通風方向為逆航向,通風條件下煙霧未達到貨艙頂部前就已受到通風氣流的影響,煙霧擴散在Z方向上已經偏離火源位置,向貨艙后部擴散,尤其在V≥0.129 m3/s條件下;隨著通風量逐漸增大,同一時刻到達頂部的煙霧濃度越小;在同一通風量下,煙霧隨火源著火時間增長逐漸向頂部擴散,通風量越大擴散到的頂部煙霧量越少。

2.2.2 不同通風量下煙霧探測系統告警時間

不同通風量下貨艙煙霧探測系統最先報警的煙霧探測器位置和報警時間如表2所示?？梢钥闯?無論通風量大小,最先報警的煙霧探測器均為35KDING探測器;無通風條件下,煙霧探測系統報警時間為51.7 s;通風條件下煙霧探測系統報警時間比無通風條件下長,最長為55.1 s。這主要是因為通風條件下煙霧受到氣流流動影響,橫向擴散顯著增強,減緩了其縱向向上擴散的運動。

表2 不同通風條件下煙霧探測器告警時間Table 2 Alarm time of smoke detector under different ventilation conditions

不同位置煙霧探測器在不同通風量下計算得到的光透率隨時間變化情況如圖9所示。可以看出:無通風條件下,120 s時光透率達到最小值75%;而通風條件下光透率值較大,表明貨艙通風加速了貨艙內部氣流流動,降低了貨艙頂部的煙霧濃度;對于27KDING煙霧探測器,燃燒發生60 s時光透率才開始下降,此時煙霧才到達該處;60 s后光透率下降且通風量越大光透率下降越慢;120 s時,V=0、0.065、0.194 m3/s共3種工況,光透率均達到最低值,最低值為75%,之后光透率有緩慢升高;V=0.258 m3/s 條件下,60 s后光透率逐漸緩慢下降,直到180 s依然沒有到達最低處;對于35KDING煙霧探測器,燃燒發生30 s后光透率就開始下降,煙霧到達此處;60 s后光透率下降且通風量越大光透率下降越慢;120 s時,V=0、0.065 m3/s兩種工況,光透率均達到最低值,最低值為70%,之后光透率開始逐漸升高;V=0.129、0.194、0.258 m3/s共3種工況下,光透率在150 s左右達到最低值,最低約為82%,之后又緩慢升高;對于47KDING煙霧探測器,燃燒發生30 s后光透率就開始下降,煙霧到達此處;120 s時基本均到達最低值,最低值約為72%;120 s后,各種通風條件下光透率開始升高,但升高幅度不大,這是由于該探測器位于貨艙通風氣流下流使其持續有煙霧流過。

圖9 不同位置煙霧探測器光透率隨通風量和時間變化規律Fig.9 LT as funtion of both ventilation volume and time for three smoke detectors

2.2.3 貨艙環境壓力

某型運輸機為客貨兩用飛機,考慮到運輸乘客和貨物兩種運輸情景,針對V=0.194 m3/s通風條件下,選取4種不同貨艙環境壓力(101、90、80、76 kPa)條件進行仿真模擬,分析貨艙煙霧擴散特性和煙霧探測系統告警性能。

不同貨艙環境壓力條件下120 s時貨艙煙霧擴散情況如圖10所示?？梢钥闯?貨艙壓力越低,貨艙頂部的煙霧擴散范圍越大,有利于煙霧擴散。同時從表3所示的不同貨艙壓力條件下煙霧探測器告警情況中也能看出,貨艙壓力越低,煙霧探測器告警越短,當貨艙壓力為76 kPa時,煙霧探測器告警用時最短,為47.0 s。

表3 不同貨艙壓力條件下煙霧探測器告警情況Table 3 Alarm time of smoke detector under different cargo compartment conditions

3 貨艙煙霧探測系統試驗方法研究

由于通過真實火源的方式考核煙霧探測系統功能和性能會對飛機產生很大的安全隱患,所以在進行貨艙煙霧探測系統試飛中,采用一種煙霧發生器放置在貨艙內特定位置產生模擬煙霧的方式模擬貨艙著火情況[9],進而考核貨艙煙霧探測系統功能和性能。由上述FDS仿真結果可知,通風量大小、火源位置、貨艙壓力等因素均直接影響煙霧探測系統告警時間;同時由于不同飛機貨艙尺寸不同、煙霧探測器種類不同、煙霧探測器位置分布不同,由此確定的煙霧探測系統具體試驗方法也不盡相同。針對某一確定機型運輸機,從以下4個方面探究貨艙煙霧探測系統試驗方法,主要包括煙霧量大小、試驗條件、發煙設備選擇、發煙位置。

3.1 煙霧量大小

針對某確定運輸類飛機,借鑒FAA、空客公司煙霧量大小試驗方法[17],同時根據《民用航空器貨艙和行李艙煙霧探測器最低性能要求》(HB7098—94)和《中國民用航空規章第25部 運輸類飛機適航標準》CCAR 25)中的規定,認為煙霧量大小只要滿足在發煙后30 s,煙霧可以到達任一煙霧探測器,且此處的煙霧遮光率在4%/m以上即可。因此,該型飛機的煙霧探測試驗煙霧量大小確定原則為:選取頂部相鄰且距離最遠的兩個煙霧探測器,然后在貨艙底板上找到距離這兩個探測器距離相等且最遠的點,在該點放置煙霧發生器,在煙霧探測器處放置光密度計;煙霧發生器發煙30 s后光密度計測得的遮光率達到4%/m,則認為煙霧量合適。

3.2 試驗工況

由某型飛機使用說明書可知,某型飛機在發動機或輔助動力裝置(auxiliary power unit,APU)不工作情況下,貨艙通風系統不能工作;在發動機或APU起動后可以開啟貨艙通風系統,且貨艙通風系統可根據使用需求調節至“經濟”“中間”“最大”3種不同檔位通風量。根據上述FDS仿真結果分析,貨艙通風量大小對貨艙內氣流流動有很大影響,直接影響煙霧探測系統的性能考核;同時為了考核飛機在正常使用條件下煙霧探測系統能否正常工作,煙霧探測試驗應在貨艙不通風和貨艙“最大”檔位通風量條件下驗證煙霧探測系統性能。同時根據仿真結果,建議在貨艙正常大氣壓條件下開展貨艙煙霧探測試驗。

3.3 發煙設備

根據前期調研和實驗室試驗,發煙設備主要分為水基發煙設備和油基發煙設備,主要區別在于發煙設備內發煙材料不同。水基煙霧的特點為煙霧消散快,空中留存時間短,漂浮性差;油基煙霧相比水基煙霧,不會快速蒸發,煙霧更密集,并且懸浮在空氣中的時間更長,持續約4 h不會蒸發分層。油基煙霧發生器產生的煙霧是靠惰性氣體(CO2、N2、He等)驅動的,與水基煙霧不同,油基煙霧可以通過熱浮力來更真實地模擬火災中的熱煙。因此,煙霧發生器選用國外煙霧探測器供應商推薦購買的PS33HI煙霧發生器(發煙劑Fluid-135)。

3.4 發煙位置點選擇

根據上述FDS仿真結果,在火源位置8處,煙霧探測器發出告警所需時間最長且明顯長于其他發煙位置;該位置是最不利于煙霧探測系統告警的發煙位置,即嚴酷試驗位置,應作為試驗時的發煙位置。

4 結論

首先利用FDS軟件對某型運輸機貨艙內煙霧擴散規律進行仿真,獲得了不同發煙位置、不同通風量、不同貨艙壓力等條件下貨艙內煙霧擴散、煙霧探測器光透率、煙霧探測器報警時間的變化規律;根據仿真結果,并結合實際試驗條件及試驗特點,探究貨艙煙霧探測系統試驗方法。得出如下結論。

(1)飛機上電,防火系統自檢,檢查煙霧探測系統是否正常工作。

(2)將煙霧發生器置于貨艙底部的位置8處進行發煙,觀察座艙內煙霧探測系統能否正常發出煙霧告警并記錄煙霧探測系統發出告警時間。

(3)在貨艙不通風和貨艙“最大”檔位兩種通風條件下分別開展試驗,統計每次試驗煙霧探測系統告警發出時間是否在1 min之內,對煙霧探測系統功能和性能做出評判。

(4)建議在貨艙正常大氣壓條件下開展貨艙煙霧探測試驗。