中空纤维膜机载制氮装置的数学建模分析

建立了考虑浓差极化现象的微分方程数学模型,并用正交配置法求解,对中空纤维膜机载制氮装置(OBIGGS)进行了分析,并对部分状态点的计算结果进行了实验验证.结果表明:富氮气体(NEA)中氧气的质量分数随着进气温度的升高而降低,在达到最小值后又呈上升趋势;在进气与排气压力差保持不变的情况下,随着中空纤维膜排气压力的下降,中空纤维膜的富氮气体质量流量逐渐增加;随着中空纤维膜丝长度的增加,丝内气体的压降和富氮气体质量流量均有所增加;中空纤维膜空气分离制得的富氮气体质量流量越大,则所需进气的质量流量越大,且富氮气体氧气质量分数越高.      

中空纤维膜分离性能实验与预测

利用机载中空纤维膜分离性能测量台架,针对分离性能随引气压力、引气温度、飞行高度等因素的变化规律开展了实验研究;并采用所获得的实验数据作为训练及验证样本,应用人工神经网络预测技术分析了该型膜的性能.研究结果显示:①所建立的数学模型可实现对中空纤维膜分离性能的有效预测;②制氮体积分数与量纲一制氮量成反比,当要求制氮体积分数较高时,其量纲一制氮量下降,制氮效率降低;③在一定制氮体积分数下,制氮量随引气温度、引气压力的增加而增加;制氮效率随引气压力的增加而增加,但随引气温度的增加而减小;④在飞行高度增加的情况下,量纲一制氮量和制氮效率都增加, 而制氮体积分数的影响随飞行高度增加而减小.      

机载制氮系统中空纤维膜分离特性

采用微元方法建立了机载制氮系统中空纤维膜数学模型,并使用龙格-库塔法对其进行了数值计算,与实验数据进行对比后显示,误差不超过10%.然后分析了单位膜面积进料量、膜丝(membrane fiber)内外压比和氧氮渗透比其对产品气氧体积分数和制氮效率的影响.结果表明:增加单位膜面积进料量虽然可提高制氮效率的增加,但是会显著降低产品气中氮的体积分数,因此需要采用合适的流程设计以克服此缺点.压比和氧气渗透系数的增加均会使氧体积分数与制氮效率减小,但是提高渗透比对制氮效率影响不大,因此对于气体分离过程是有利的.通过计算模型及实验数据,分析了中空纤维膜分离理想度随压比和温度的变化关系,结果显示压力对理想度影响较大,随着压力增加,实际分离过程与理论值偏差趋大,而温度对理想度影响较小.      

一种燃油箱绿色惰化系统地面惰化性能分析

在描述一种采用催化燃烧产生惰气来降低油箱气相空间氧体积分数的新型绿色惰化工作原理基础上，设计了绿色惰化系统流程，通过一定的假设和简化建立了其数学模型并进行了求解.将结果与采用中空纤维膜产生富氮气体的机载惰化系统进行了比较，结果显示:当绿色惰化系统中抽吸气的流量与中空纤维膜惰化所产生富氮气体流量一致时，前者惰化效果远好于后者.同时，还研究了催化反应器效率和预热气体抽取比例对绿色惰化系统的影响，结果表明:提高反应器效率可有效缩短达到安全氧体积分数所需的时间,且最终油箱气相空间氧体积分数会降低，而选取合适的预热气体抽取比例可以减少系统能耗.      

某中央翼燃油箱惰化流场的数值模拟及特性分析

在不同富氮气体入口参数下,对某大型运输机中央翼燃油箱的惰化过程进行了数值模拟,研究了在不同流量和体积分数富氮气体条件下燃油箱的惰化规律.计算结果显示:当富氮气体中氮气体积分数为95%、体积流量分别为0.021,0.028m3/s和0.042m3/s时,燃油箱内平均氧体积分数随体积置换次数的变化曲线几乎完全重合;当富氮气体体积流量为0.042m3/s、氮气体积百分比分别为92%,94%和98%时,燃油箱惰化率随时间的变化曲线重合.说明相同体积分数富氮气体条件下燃油箱惰化完成时所需富氮气体量与富氮气体流量无关,而富氮气体的流量直接决定了各舱室富氮气体的惰化率.通过对计算结果的分析,证明了利用缩比油箱去模拟真实油箱的惰化过程的合理性.为优化某运输机中央翼燃油箱惰化系统设计提供参考.      

飞机燃油箱机载惰化技术研究现状与发展趋势

为了有效减少飞机燃油箱燃爆风险,以机载惰化技术为重点,介绍了燃油可燃性和氧体积分数指标确定的方法,根据燃爆极限可将民机的安全氧体积分数定为12%,军机则采用直接用燃烧弹打击油箱测定最大压力的方式将其定为9%,分析了气体在燃油中平衡和非平衡溶解的差异,并给出了相应的计算方法,对中空纤维膜惰化技术中分离膜特性、惰化气体分配方式及仿真方法进行了介绍,分析了机载惰化技术未来的发展趋势。结果表明:目前国内机载惰化技术已经成为主流的惰化技术,但针对国产燃油可燃性的研究十分匮乏,未来可以对此展开进一步研究,并且可对冷却惰化、绿色惰化和吸附惰化等技术加大研究力度,有望拥有自主的知识产权。      

聚酰亚胺纤维膜分离特性试验研究

通过对不同膜材料的分离系数以及基本特性的比较,选择了耐高温、耐高压、分离系数高的聚酰亚胺作为膜材料.以某型国产聚酰亚胺中空纤维膜组件为研究对象,搭建中空纤维膜分离性能测试试验台,针对分离性能随引气压力、引气温度、飞行高度等因素的变化规律开展了试验研究.研究结果可以为后续聚酰亚胺纤维膜的试验设计、分离特性研究提供参考.     

洗涤效率对飞机燃油箱惰化过程的影响分析

采用微元段计算方法,建立了燃油洗涤过程的数学模型,考虑到洗涤过程中的富氮气体不能和燃油中的溶解气进行充分的传质,故定义了洗涤效率.计算结果与文献公布的实验数据对比表明:引入洗涤效率后,计算值与实验值一致性更高.研究结果显示,在同样的富氮气体流量,且气相空间惰化效果一致的情况下,洗涤效率直接影响洗涤时间和燃油及气相空间中氧的体积分数.较低的洗涤效率虽然可使洗涤时间缩短,但是容易造成爬升至巡航高度后,油箱上部空间氧的体积分数增加幅度较大,且该影响随着载油量增加而加大,故应根据载油量、洗涤时间、洗涤气流量等综合考虑合适的洗涤效率.研究结果可为机载制氮系统的设计提供理论基础.     

机载制氧制氮一体化可行性论证分析

为提高机上资源的利用率,同时解决机上人员供氧防护与油箱惰化防护的要求,研究机载制氧系统和机载制氮系统的集成耦合后的可行性。通过对机载制氧和机载制氮的原理进行分析,提出了将二者集成耦合的工作方案,构建了系统的功能框架,基于空气分离装置搭建了摸底试验系统,试验结果显示：富氧侧出口压力为0.3 MPa时,富氮气出口的浓度为86%～88%,而制氧浓度仅从20.9%最高提高至28.76%。对比分析独立的制氧、制氮系统与一体化的制氧制氮系统可知,机载制氧制氮一体化是实际可行的,但目前仍旧存在环控引气条件的限制缺陷,应用有待开发。     

一种利用富氮气体增压的涡轮增压惰化系统

为了提高惰化系统对引气的利用效率,提出利用富氮气体(Nitrogen Enriched Air,NEA)增压的涡轮增压惰化系统。系统利用 NEA的高压对动力涡轮进行膨胀做功,并利用轴功带动压缩机对进入空气分离器前的气体进行增压,以提高空气分离效果。相比于宽体飞机普遍采用的引气增压惰化系统,该系统可节约 23.1%~41.2%引气消耗量。进一步,基于国内某型空气分离器的性能,探讨了宽体飞机在巡航高度引气压力较低的现状下,利用 NEA涡轮增压系统实现双流量模式的具体设计过程。研究表明,利用涡轮增压技术提高 NEA纯度,能使 NEA的氧体积分数满足小流量、中流量和大流量阶段的特定要求,利用 NEA增压的涡轮增压惰化系统可以提高引气的利用效率,显著 降低 NEA的氧体积分数,提升惰化系统性能。     

燃油洗涤引射器充氮性能实验

通过建立地面燃油洗涤模拟实验台,采用正交实验等手段来有效地减少实际实验次数,在此基础上,对燃油洗涤引射器展开了较为系统的理论分析与实验研究.结果表明,燃油洗涤引射器的面积比m、长径比L/D、喷嘴工作压力p是影响充氮性能的重要因素,但重要性主次有其相对性;得到一系列经验公式和优化值,且对按这些经验公式和优化值设计加工的燃油洗涤引射器进行了实验验证,结果证实其既能喷出足够小的微细气泡,以提高燃油洗涤效率,又满足油箱上部气层空间氧体积分数要求.      

Experimental study on ceramic membrane technology for onboard oxygen generation

The ceramic membrane oxygen generation technology has advantages of high concentra-tion of produced oxygen and potential nuclear and biochemical protection capability. The present paper studies the ceramic membrane technology for onboard oxygen generation. Comparisons are made to have knowledge of the effects of two kinds of ceramic membrane separation technologies on oxygen generation, namely electricity driven ceramic membrane separation oxygen generation technology (EDCMSOGT) and pressure driven ceramic membrane separation oxygen generation technology (PDCMSOGT). Experiments were conducted under different temperatures, pressures of feed air and produced oxygen flow rates. On the basis of these experiments, the flow rate of feed air, electric power provided, oxygen recovery rate and concentration of produced oxygen are compared under each working condition. It is concluded that the EDCMSOGT is the oxygen generation means more suitable for onboard conditions.     

Experimental study of an aircraft fuel tank inerting system

In this work, a simulated aircraft fuel tank inerting system has been successfully established based on a model tank. Experiments were conducted to investigate the influences of different operating parameters on the inerting effectiveness of the system, including flow rate of the inert gas(nitrogen-enriched air), inert gas concentration, fuel load of the tank and different inerting approaches. The experimental results show that under the same operating conditions, the time span of a complete inerting process decreased as the flow rate of inert gas was increased; the time span using the inert gas with 5% oxygen concentration was much longer than that using pure nitrogen;when the fuel tank was inerted using the ullage washing approach, the time span increased as the fuel load was decreased; the ullage washing approach showed the best inerting performance when the time span of a complete inerting process was the evaluation criterion, but when the decrease of dissolved oxygen concentration in the fuel was also considered to characterize the inerting effectiveness, the approach of ullage washing and fuel scrubbing at the same time was the most effective.     

多隔舱燃油箱惰化流场的数值模拟与分析

根据多隔舱燃油箱的特点,建立了适用于多隔舱燃油箱惰化流场的数值模拟方法.将数值模拟结果与工程模型结果及国外文献中的实验数据进行了对比,验证了该方法的正确性.通过对各个隔舱内氧气体积分数分布的分析发现,惰化过程中,各个隔舱内的氧气体积分数趋于均匀,流出某隔舱的气体的氧气体积分数近似等于该隔舱内的平均氧气体积分数.将数值模拟得到的两种流通方式下隔舱间气体体积流量分配情况与隔舱间流通面积比进行对比发现,当通气口相对于富氮气体进口对称布置时隔舱间体积流量能够近似按照面积比分配,而不对称布置时分配情况比较复杂,不能够简单地按照面积比确定.      

民机燃油箱惰化流场的数值仿真及其特性分析

根据民机燃油箱冲洗惰化过程的特点,基于FLUENT软件开发了一种用于燃油箱惰化流场数值仿真的计算方法。将方法的计算结果与国外文献中公布的理论模型计算结果和实验数据进行了对比,验证了方法的正确性。对两种采用不同喷口、通气口布置的矩形燃油箱的惰化过程进行了数值仿真计算,分别给出了惰化80 s和2 400 s时的氧浓度分布云图,并进行了对比分析,说明方法在优化设计喷口、通气口位置以达到最优的惰化性能方面有较大优势。