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.     

{MC COMMENT: PA CORRECTION}Theoretical study of ullage washing with mixed inert gas in a non-equilibrium state

The Mixed Inert Gas (MIG) produced by the novel Green OnBoard Inerting Gas Generation System (GOBIGGS) mainly consists of carbon dioxide, nitrogen and oxygen. Because of the large solubility of carbon dioxide in jet fuel compared with nitrogen, the no gas release or equilibrium model could not be employed any more. In this paper, first, a mathematical model of the ullage washing was set up to predict the variation of the oxygen concentration on ullage and in the fuel, and the gas evolution and dissolution rate were calculated by Fick’s second law. Then, an experimental apparatus was constructed to verify the accuracy of the model. Finally, the numerical comparisons of ullage washing using Nitrogen Enriched Air (NEA) and MIG are presented under various flow rates and fuel loads, and the result reveals that the variation of the oxygen concentration on ullage is nearly identical whatever the inert gas is NEA or MIG. However, the variation of the oxygen concentration in the fuel is disparate, and the oxygen concentration decreases rapidly if the inert gas is MIG, especially when the fuel load is low or the flow rate of the inert gas is high. Besides, MIG could suppress the rising trend of the oxygen concentration on ullage when the aircraft ascends if the fuel tank is fully washed into an equilibrium state on ground.     

无人机油箱地面洗涤惰化性能

提出了无人机油箱地面洗涤惰化技术理论和方法,利用CFD方法研究了采用地面洗涤惰化技术降低油箱气相空间氧体积分数并使无人机油箱在地面和飞行条件下仍然保持惰化状态的可行性.利用vol-ume of fluid(VOF)两相流模型和自定义传质方程计算了不同油箱初始氧体积分数和载油率下气相空间氧体积分数的变化情况,结果表明:在...     

航空燃油类型对催化惰化系统性能的影响

在设计了一种催化惰化系统流程并描述其工作原理的基础上,以从油箱中抽吸气体的摩尔流量为基准,推导了流经催化反应器后各气体组分的流量关系,通过质量守恒方程及气体平衡溶解关系,建立了油箱气相空间气体浓度变化的数学模型。选择了RP-3、RP-5和RP-6燃油作为对象,用所建立的数学模型计算了不同载油率和催化反应器效率下的气相空间氧浓度变化关系。研究显示,由于3种燃油的蒸汽压不同,造成从外界环境补气及进入油箱的混合惰气流量不同,从而导致气相空间氧浓度的变化规律差异远大于采用中空纤维膜的机载惰化系统。因此,在设计催化惰化系统时要充分考虑燃油类型对惰化系统性能的影响。     

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.      

Oxygen concentration variation in ullage influenced by dissolved oxygen evolution

To determine the oxygen concentration variation in ullage that results from dissolved oxygen evolution in an inert aircraft fuel tank, the CFD method with a mass transfer source is applied in the present study. An experimental system is also designed to evaluate the accuracy of the CFD simulations. The dissolved oxygen evolution is simulated under different conditions of fuel load and initial oxygen concentration in ullage of an inert fuel tank with stimulations of heating and pressure decrease. The increase in the oxygen concentration in ullage ranges from 0.82% to 5.92% upon stimulation of heating and from 0.735% to 12.36% upon stimulation of a pressure decrease for an inert ullage in the simulations. The heating accelerates the release of the dissolved oxygen from the fuel by increasing the mass transfer rate in the mass transfer source and decreasing the pressure, thereby accelerating the dissolved oxygen evolution by increasing the concentration difference between the gas and the fuel. The time constant that represents the oxygen evolution rate is independent of the initial oxygen concentration in ullage of an inert tank but depends closely on the fuel load, temperature and pressure. The time constant can be fitted using a polynomial equation relating the fuel load to temperature in the heating stimulation with an accuracy of 4.77%. Upon stimulation of a pressure decrease, the time constant can be expressed in terms of the fuel load and the pressure, with an accuracy of 5.02%.     

气体分配方式对多隔仓燃油箱地面惰化的影响

在各仓温度和压力为定常边界条件下,采用数值积分法,建立多仓燃油箱冲洗的数值模型,应用波音747中央翼燃油箱,通过将计算结果与国外文献中公布的实验数据进行比较,验证了模型具有较高的计算精度;然后,选择波音737中央翼燃油箱作为研究对象,采用惰化气体均匀和非均匀两种分配方式,在惰化气体流量按体积和数量两种分配方式下,计算出各隔仓氧气体积分数随时间及换气次数的变化关系,结果表明:要使各隔仓均惰化至目标氧气体积分数,按体积分配富氮气体的均匀进气方式所需的惰化时间最短,按数量分配的均匀进气方式所需的时间最长;由左舷、中弦、右弦整体平均氧气体积分数随换气次数的变化,可知非均匀进气方式优于均匀进气方式.      

Effect of fuel type on the performance of an aircraft fuel tank oxygen-consuming inerting system

The properties of aviation fuel have a great influence on the performance of oxygen-consuming inerting systems. Based on the establishment of the catalytic inerting process, the flow relationship of each gas component flowing through the catalytic reactor was derived. The mathematical model of the gas concentration in the gas phase of the fuel tank was established based on the mass conservation equation, and the fuel tank model was verified by performing experiments. The results showed that the fuel type exerts a considerably higher influence on the performance of the oxygen-consuming inerting system compared to the corresponding influence on the hollow fiber membrane system, and the relative magnitude of the inerting rates of the four fuel types is RP5 > RP3 > RP6 > JP8. In addition, a higher catalytic efficiency or fuel load rate corresponds to a higher rate of decrease of the oxygen concentration in the gas phase, and the inerting time is inversely proportional to the suction flow rate of the fan. When different fuels are used, the amount of cooling gas and water released from the inerting system are different. Therefore, the influence of fuel type on the system performance should be extensively considered in the future.     

飞机燃油箱地面预洗涤技术理论研究

基于氧氮质量守恒关系,建立了飞机燃油箱爬升过程中气相空间、燃油中平衡氧浓度及地面预洗涤的数学模型,并采用微元段法对其进行了求解。计算结果显示,当采用富氮气体进行地面预洗涤后时达到的平衡浓度越低,则可达到的安全巡航高度越高。由于爬升过程中逸出的氧气很多会排出燃油箱外,因而地面预洗涤时,并不需要将燃油中氧质量浓度降低至安全气相浓度所对应极限质量浓度,且飞机燃油箱中的初始载油率对洗涤后的氧质量浓度有直接要求,当载油率越高,需要将燃油中的氧质量浓度洗涤的越低。计算还显示,在地面洗涤时,油罐中的油量也对换气次数有直接影响。通过选择合适浓度的富氮气体在地面预洗涤燃油箱,可保证飞机在巡航高度下氧浓度在安全范围内,但是会在一定程度上增加设备的初投资费用。文章的研究结果可为燃油地面预洗涤的工程设计奠定初步的理论基础     

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.      

飞机燃油氧气析出计算方法研究

为降低燃油箱发生爆炸的风险,需在油箱中设置抑爆系统。咨询通告规定,要计算燃油箱平均氧气浓度,需考虑燃油中的氧气析出。根据不同高度下空气在燃油中的溶解度平衡关系及空气中氧氮分压关系,得m飞机随飞行高度变化氧气析出的计算方法。     

民用飞机多舱油箱内惰性气体分布的研究

针对某种通风方式,对1／6比例的波音747中心翼油箱内的气流分布进行了可视化实验,得到了该油箱内气流分布的详细信息。建立三维数值模型,对不同Re数下的多舱气流分布进行了计算,经与实验结果对比显示二者吻合较好。通过数值模拟得到了各舱的流量分配系数,采用微元段的计算方法得到了各舱氧浓度的分布。对3种不同通风方式下的惰化效果进行了对比研究,提出“最不利舱氧浓度”的概念,认为对多舱油箱进行惰化系统的设计时,这一因素不容忽略。该研究可为多舱油箱惰化工程设计提供相应的支持,为通风系统的优化提供理论依据。     

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。      

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。      

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。     

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。     

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.      

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.      

民用飞机惰化系统富氮气体分配方案分析与研究

提出了飞机惰化系统富氮气体(nitrogen-enriched air,简称NEA)分配系统的主要设计要求,并以A320和波音737飞机为代表,分析了窄体机的NEA分配系统。进一步分析了波音787和A350飞机的惰化系统NEA分配方案,发现其采用限流孔、气体喷嘴、排气笛形管、引射器等相结合的方案来实现NEA在燃油箱内的快速均匀分配,然而这两种方案并不能根据各燃油箱气相空间的实时变化而及时、主动地调节气流量的大小。提出利用燃油液面进行自动流量调节的NEA分配方案,通过在油箱内布置垂直向下的排气管路,并在管路分支上不断增加排气孔来实现排气量随着燃油箱气相空间实时正向变化的目的,达到按照每个隔舱气相空间的变化,调节排气量和排气位置的效果。对比A350和波音787飞机的NEA分配方案的主要特点在于能够主动根据燃油箱内液面变化,及时调节NEA流量,以达到更好的快速、均匀分配的效果,值得进行深入的理论和试验研究。     

波音737NG飞机NGS系统

飞机燃油系统的防火防爆能力,直接关系到飞行安全,2008年7月,FAA发布了法规,要求飞机制造厂家必须提供必要的措施来降低全部或者部分位于机身内部燃油箱的可燃性。通过利用飞机自身的引气,将引气中的氧气浓度降低后再将引气送入中央油箱。结果降低油箱内空气中的氧气浓度,使油箱内氧气达到可燃浓度以下,防止油箱爆炸。NGS系统作为燃油箱惰化手段,有效保证了飞机的飞行安全。