飞机燃油箱惰化中氧体积分数控制指标分析

对油箱惰化的氧体积分数控制指标,即极限氧体积分数,测定标准、理论与实验研究成果进行了较为系统地梳理与总结,并基于前人研究成果提出:①采用N2惰化时,对于RP-3燃油,其地面状态下,可采用12%作为油箱氧体积分数控制指标。②对于民机,飞行包线内燃油箱氧体积分数控制指标可为从海平面到3 048 m高度,油箱内气相空间极限氧体积分数不超过12%,3 048～12 192 m高度,不超过从12%线性增加到145%;对于军机,可以考虑在民机标准上增加20%安全裕度,即从地面的9%线性增加至12 192 m的12%。③目前国内军机惰化系统研制中,规定在整个飞行包线内控制燃油箱气相空间氧体积分数不超过9%的要求值得商榷,它将直接带来因过度防护而产生的代偿损失过大等问题。     

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。      

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.      

飞机燃油箱冷却惰化系统地面性能分析

设计了冷却惰化系统的工作流程并建立了地面状态下冷却惰化的数学模型,通过Modelica软件求解得到了油箱气相空间燃油蒸汽体积分数,燃油和气相空间温度以及制冷量随时间变化关系,并且研究了几个关键参数对惰化效果的影响。结果表明:随着抽气流量的增加和蒸发温度的降低,气相空间燃油蒸汽体积分数越低,气相空间温度也越低,达到冷却惰化的时间也越短,惰化效果也越好。虽然内热源对冷却惰化的效果起到了阻碍的作用,内热源越大,冷却惰化越难实现。但整体上看,冷却惰化是油箱惰化的一种可行替代方法。      

某飞机多舱燃油箱洗涤惰化的工程计算

为研究某飞机多舱燃油箱洗涤惰化过程,将洗涤气分为与燃油发生传质部分和未发生传质部分,通过理论计算获得洗涤气与燃油发生传质并向气相空间逸出的氧气量.未发生传质的部分用于气相冲洗,其余与液相洗涤逸出量相结合,建立模型进行工程计算.由此将整个洗涤惰化过程转化为有逸出的气相冲洗过程.结果表明:这种将洗涤惰化转化为有逸出的冲洗模型是可行的,其结果与实验值基本吻合.随着时间的增长,气相氧体积分数一般经历先增长后下降的过程,最终趋向于洗涤气体积分数.多舱飞机燃油箱的各舱氧体积分数值变化快慢与进气出气口位置和各舱体积有关.      

飞机燃油箱氮气惰化的机理分析及应用

本文分析了机载惰性气体产生系统对燃油箱惰化进行了物理、化学作用过程的抑爆机理.同时介绍了飞机燃油箱惰化系统的组成,以及核心组件空气分离装置;并分析了油箱惰化系统如何合理地分配惰性气体,保持需求的氧浓度且使其均匀分布,以及惰性气体直接进入油箱洗涤惰化和充填冲洗的应用.     

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.     

耗氧惰化系统混合产气的油箱充填特性研究

以特定矩形铝制燃油箱为研究对象,建立三维仿真模型,研究不同体积流量下96%的富氮气体(NEA)对油箱冲洗惰化时油箱内氧浓度的变化,仿真结果与文献试验结果对比,两者吻合较好,验证了仿真模型的正确性。在此基础上,研究相同体积流量下,保证惰性气体中氧浓度相同时,不同组分的耗氧惰化混合气体(MIG)对油箱冲洗惰化时油箱内氧浓度的变化规律,结果与文献中NEA试验结果进行比较,分析两种惰化方式对油箱内氧浓度变化的影响。     

飞机燃油箱地面冷却惰化数值仿真

通过 COMSOL软件对飞机燃油箱地面冷却惰化进行了 3D仿真,得到了燃油温度、气相空间温度、燃油蒸汽体积分数随时间变化的情况;研究了抽气流量、蒸发温度、内热源功率、外界空气流速对冷却惰化的影响。结果表明:内热源功率过大时,燃油蒸汽体积分数高于可燃体积分数下限,将不能惰化;增大抽气流量以及降低蒸发温度,可以更快地降低气相空间温度,惰化效果更好;外界空气流速越大,气动加热热量越大,油箱气相空间温度越高,但外界空气流速较大时,系统仍能惰化。     

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.     

一种描述燃油与气体组分传质的频率传质模型

抛开经典Fick定律,提出用传质频率来表征燃油和空气氧氮传质的快慢,建立了以频率传质模型为基础的飞机燃油箱冲洗惰化数学模型,该模型能对传质速度进行量化,而国内外工程界目前使用的模型不具备此量化能力;该数学模型的准确性和有效性得到美国联邦航空管理局（FAA）相关封闭燃油箱内的氧氮传质实验数据的验证;将该数学模型用于仿真A320的飞行阶段的氧的体积分数,仿真结果同测试数据及其他模型的计算结果对比后发现:频率传质模型的计算精度最高;进一步仿真表明,载油率的增加会明显延缓惰化氧的体积分数的降低,且在高载油率下频率传质模型同不传质以及瞬时平衡这两种模型的计算结果差异很大.      

Experimental comparison between aircraft fuel tank inerting processes using NEA and MIG

Fuel tank inerting technologies are able to reduce the fire risk by injection of inert gas into the ullage or fuel, the former called ullage washing and the latter fuel scrubbing. The Green On-Board Inert Gas Generation System (GOBIGGS) is a novel technology based on flameless catalytic combustion, and owning to its simple structure and high inerting efficiency, it has received a lot of attentions. The inert gas in the GOBIGGS is mainly comprised of CO₂, N₂, and O₂ (hereinafter, Mixed Inert Gas (MIG)), while that in the On-Board Inert Gas Generation System (OBIGGS), which is one of the most widely used fuel tank inerting technologies, is Nitrogen-Enriched Air (NEA). The solubility of CO₂ is nearly 20 times higher than that of N₂ in jet fuels, so the inerting capability and performance are definitely disparate if the inert gas is selected as NEA or MIG. An inerting test bench was constructed to compare the inerting capabilities between NEA and MIG. Experimental results reveal that, if ullage washing is adopted, the variations of oxygen concentrations on the ullage and in the fuel are nearly identical no matter the inert gas is NEA or MIG. However, the ullage and dissolved oxygen concentrations of MIG scrubbing are always higher than those of NEA scrubbing.     

民用飞机惰化系统架构权衡研究

基于单舱惰化冲洗模型理论,采用Matlab语言,针对民用飞机惰化系统设计开发出系统架构权衡分析工具,该工具后台程序除集成气源压力接口数据库、飞行参数自动生成模型和ASM真值表外,还包含根据落地燃油箱氧气浓度对下降阶段大流量模式下NEA最小流量的寻优算法,通过运用该工具,对全燃油箱惰化民机的惰化系统引气增压子系统形式、NEA流量、燃油箱通气形式、燃油箱极限氧气浓度对ASM数量和引气质量流量的影响进行定量研究,全面比较开式通气架构与闭式通气架构下惰化系统的性能特征,为飞机惰化系统架构设计提供一种工程方法参考。     

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.