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.      

机载中空纤维膜富氮性能实验

通过建立机载中空纤维膜环境模拟性能实验平台,对与国内某技术中心合作研制的机载中空纤维膜进行了系统的环境模拟性能实验及分析.实验结果显示:①渗余富氮空气氧体积分数随输入空气压力的上升而下降,随输入流量的上升而上升,而与输入空气温度基本无关;②渗余富氮空气氧体积分数随富氮空气流量的上升而上升,且输入空气压力低时明显;③海拔高度对机载中空纤维膜富氮性能基本不影响,仅启动时渗余富氮空气氧体积分数略有下降.通过采用多元回归方法,得到有一定普遍意义的机载膜富氮性能公式.      

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.      

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.      

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.      

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.      

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。      

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.     

进气预旋对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响

为了明确混合排气系统内涵进气预旋角对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes方程组的三维流场数值仿真方法对某环形混合器混合排气系统在不同进气预旋角工况下的流场进行了分析,并将结果同轴向进气的情况进行了对比.结果表明:内、外涵之间剪切层的厚度以及剪切层的扭曲程度随进气预旋角的增加而增大.在环形混合器混合排气系统出口处,随着进气预旋角的增加,热混合效率小幅升高,其中30°进气预旋角模型热混合效率为轴向进气模型的1.36倍;总压恢复系数和环形混合器混合排气系统推力逐渐降低,较轴向进气模型,30°进气预旋角模型总压恢复系数降低了0.0034,而相对推力下降了0.081.      

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。     

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。     

Pressure wave propagation characteristics in a two-phase flow pipeline for liquid-propellant rocket

The aim of this paper is to investigate the pressure wave propagation behavior in LOX/kerosene rocket engine pump pipeline. A pressure wave propagation model for gas–liquid two-phase flow with phase change taken into consideration is first proposed by using ensemble-averaging techniques. Then condensation of gas oxygen in subcooled liquid oxygen and the corresponding mixing process in pump pipeline are numerically simulated with the application of thermal phase change model in Computational Fluid Dynamics code CFX. Finally, based on the established model and the predicted flow parameters, pressure wave in gas–liquid pipeline flow, characterized by the propagation speed and the attenuation coefficient, is studied by personally compiled code on MATLAB. The calculation results indicate that the propagation speed of two-phase pressure wave first slightly falls and then increases with the decreasing void fraction along the flow direction, and the increase of angular frequency causes the propagation speed and the attenuation coefficient of two-phase pressure wave to increase. The vapor bubble diameter, mass flow rate and inlet temperature of gas oxygen are shown to have strong effects on the mixing flow condensation process of gas oxygen and liquid oxygen. Bubble with larger diameter can weaken the condensation process, and leads to greater cross-sectional mean void fraction of gas oxygen. This phenomenon results in an overall decrease in pressure wave propagation speed and an increase in attenuation coefficient except for the short slug-flow region located at the pipeline inlet. Similar effects can also be achieved by increasing the mass flow rate or the inlet temperature of gas oxygen.     

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.