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.      

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。     

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.     

军用飞机机载制氮系统研究

为了有效地提高军机燃油系统的安全性,本文对机载制氮系统用于燃油箱惰化的技术进行了研究,并与飞机燃油箱其它防火抑爆技术进行了比较.采用富氮空气进行燃油冲洗是除去燃油中溶解氧的常用方法,并基于常规气体混合关系,质量守恒方程和Ostwald系数建立了燃油冲洗分析模型,该模型可以确定油箱内无油空间氧浓度随时间变化的规律.     

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.     

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...     

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     

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。      

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。      

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.      

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.     

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.      

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。     

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.