不同温控模式下直升机惰化系统性能对比

以某直升机机载中空纤维膜惰化系统为研究对象,设计了电控阀控温和变频风扇控温2种系统。基于AMESim平台以分离膜数学模型计算数据为基础,搭建机载惰化系统,在飞行包线下,研究了2种温控模式的控温效果、不同飞行阶段的惰化系统性能变化及关键参数对其影响。计算结果表明:电控阀控温系统在整个飞行过程均能将引气温度维持在目标温度90℃,在起飞之后富氮气体（NEA）氮体积分数全程维持在91.5%~96.4%之间,所需引气流量为40~243 kg/h,空载燃油箱气相空间氧体积分数可在180 s内降至9%,且保持全程低于9%;变频风扇控温系统在满足爬升、加速、俯冲高温阶段控温惰化要求的选型前提下,在低速、高速巡航阶段,引气被过度冷却至0℃左右,虽然所需引气流量低至26 kg/h,但NEA氮体积分数大幅下降至81%,燃油箱气相空间氧体积分数高达18%,在巡航阶段,飞行速度越大,引气温降越大,且巡航高度越低,为满足控温效果所需的最低巡航速度越低。      

飞行包线下燃油箱耗氧型催化惰化系统性能研究

为给新型耗氧催化惰化系统部件设计提供输入参数，在提出低温可控耗氧催化惰化系统流程基础上，以燃油箱出口抽吸流量为基准，基于质量守恒和能量守恒方程，建立了系统流程模型。以中央燃油箱为对象，仿真研究了全飞行包线下惰化系统的重要性能变化，以及关键参数对其影响。结果表明:惰化系统可以有效降低氧体积分数，如在初始满载、催化效率0.5、风机抽吸流量60 L/min条件下，24 min后氧体积分数即降至12%以下；在飞行过程中，燃油箱气相氧氧体积分数在下降及进场阶段上升，其他阶段均呈下降趋势；催化效率越高、风机抽吸流量越大，所需惰化时间越小，且催化效率一定时，达到相同惰化时间，初始空载时所需风机抽吸流量最大。应按最不利的空载工况来设计耗氧型催化惰化系统。      

基于耗氧惰化技术的飞机燃油箱热模型

温度是燃油箱耗氧惰化系统适航符合性验证过程中重要指标。基于MATLAB Simulink软件，建立了飞机燃油箱耗氧型惰化系统油箱部件的传质传热模型，并验证其可靠性。在此基础上，分析了惰化系统抽气流量和出口温度对飞机燃油箱气相空间节点温度和燃油节点温度的影响。结果表明：所建立的飞机燃油箱传质传热模型具有较高的可靠性；随着惰化系统抽气流量的增加和惰化系统出口温度的升高，气相空间节点温度随之升高但对燃油节点温度影响不明显。     

抽吸气流量对催化惰化系统性能影响

基于耗氧型惰化系统惰化原理,建立了绿色低温催化惰化系统（3CGIS）的AMESim仿真模型,研究了绿色低温催化惰化系统抽吸气流量对惰化时间的影响,以及飞行包线内燃油箱气相空间氧气体积分数变化。将计算结果与试验数据进行对比,结果表明,飞行包线内燃油箱气相空间氧气体积分数计算结果与试验结果基本一致,验证了仿真模型的正确性。在此基础上,得到抽吸气流量与惰化时间近似呈反比关系;当惰化时间一定时,抽吸气流量随载油率的降低而增加;针对下降阶段燃油箱气相空间氧气体积分数可能超过12%,提出一种双流量惰化模式设计方法,可保证氧气体积分数在整个飞行包线内低于12%。仿真结果为绿色低温催化惰化系统的设计与优化提供了依据。      

不规则燃油箱惰化系统进出口优化方法

为解决不规则燃油箱惰化时，出现的氧体积分数分布不均匀、惰化区域不充分的难题，以熵权改进优劣解距离（TOPSIS）理论为基础，提出一种适用于不规则油箱惰化系统的优化方法，并结合数值仿真方法进行综合评价，实现波音747飞机惰化系统进出口的优化设计。结果表明：根据熵权改进TOPSIS理论设计的惰化方案，不仅可以降低惰性气体流量需求，而且可以使得惰化空间氧体积分数分布更为均匀；优化后的波音747飞机惰化方案，综合性能指标提升22.67%，速度性指标提升2.97%，均匀性指标提升27.78%；单侧偏置惰化方案设计思路，可以增加流通路径、延长惰性气体存续时间，使得油箱惰化时氧气分布更为均匀、氧体积分数下降迅速。     

气体分配方式对民机多隔仓燃油箱惰化的影响

在假设燃油箱整体和各隔仓无质量堆积的前提下,建立了一种可根据压力差自动确定流动方向和流量的数学模型,并给出了迭代法计算的步骤,然后采用微元法获得了惰化过程中各隔仓体积氧浓度随换气次数的关系.以波音747中央翼油箱为对象,与国外文献中公布的实验数据进行了对比,验证了所建模型有较高的计算精度.以国产某型客机中央翼燃油箱为研究对象,给出了4种不同的富氮气体进气孔设置及2种气体分配方式,比较了它们对惰化过程的影响,结果显示,将富氮气体按体积平均方式通入所有的隔仓具有最好的惰化效果,而将进气孔口设置在外侧隔仓并单独进气的惰化效果最差,而且在中部对称位置的隔仓上设置进气孔优于非对称位置设置进气孔.     

机载中空纤维膜组件壳程气体流动数值模拟

机载惰化用中空纤维膜组件具有分离效率高、安全稳定、结构紧凑等优点,是目前较为经济高效的飞机燃油箱惰化设备。采用计算流体力学(CFD)方法对某中空纤维膜组件壳程气体流动进行数值模拟,通过更改膜丝束间距、膜丝束入口速度、膜丝束流量、膜丝束排布方式及飞行高度,得到了不同工况下的组件轴向各截面的气体流动分布,并提出无量纲参数截面平均速度比来描述气体流动分布规律。仿真结果表明:在保持入口气体流动速度一定时,平均速度比值随着膜丝束间距的减小先减小后增大,在膜丝束间距为1.5倍膜丝半径时达到最小值, 在保持入口流量一定时,壳程气体流动有着相同的规律;在保持膜丝束填充数量不变时,均匀排布比不均匀排布的平均速度比值更小;保持膜丝束间距不变时,入口速度对平均速度比值影响不大;飞行高度对组件壳程气体分布的影响作用主要体现在膜组件内壁处。      

耗氧型惰化系统反应器性能理论

为了研究耗氧型燃油惰化系统中反应器的工作特性,在Fluent 17.0软件多孔介质模型基础上以用户自定义变量（UDS）形式添加固相能量方程来建立气-固两相耦合传热的两温度反应器模型,以大庆RP-3燃油为对象并通过实验测试了其反应动力学方程,然后以用户自定义函数（UDF）源项的形式添加化学反应,对反应器进行了仿真。研究了不同工况对反应器惰化效率的影响,以及反应器在惰化过程中的内部温度及RP-3浓度变化特性。结果显示:反应物浓度对转化率的影响与氧浓度饱和值有关系,在没有额外冷却的情况下反应器会飞温,化学反应主要发生在反应器的后半段,且靠近反应器轴线处。因此在未来设计反应器时,应当考虑额外冷却措施以防止飞温,使催化床温度均匀分布来提高反应器工作效率。      

CO2在RP5航空燃油中的质扩散系数测量

根据数字全息干涉度量原理搭建了气液质扩散系数测量实验平台,设计并加工了中空不锈钢恒温扩散槽,采用自编程序进行数字图像处理,通过测量298.15 K时0.33 mol/L KCl溶液在水中的质扩散系数验证了实验系统的正确性。实验测量了常压下278.15~343.15 K温度范围内CO₂在RP5航空燃油中的质扩散系数。随着温度的增加,CO₂在RP5航空燃油中的质扩散系数逐渐增大。不同温度下的质扩散系数可利用Arrhenius方程模型进行拟合,而且质扩散系数理论模型计算与实验测量结果之间的相对误差均小于9.51%。在实际工程应用中,可根据拟合的Arrhenius方程对CO₂在RP5航空燃油中的质扩散系数进行准确的预测,实验测量结果为燃油箱惰化系统的优化设计提供了数据支持。      

电离对高超声速热化学非平衡气动热环境的影响

高超声速飞行,激波后高温气体会发生电离,飞行器气动热环境复杂。5组元（N₂,O₂,NO,O,N）、7组元（N₂,O₂,NO,O,N,NO+,e-）和11组元（N₂,O₂,NO,O,N,N₂+,O₂+,NO+,O+,N+,e-）热化学反应采用Gupta化学反应模型,分别数值研究电离作用对高超声速热化学非平衡气动热环境影响。本文分析了不同催化壁面条件下,高超声速热化学非平衡电离流场气动热环境特性。电离作用对激波离体距离和气动力载荷的影响很小。5组元热化学非平衡不考虑电离作用,流场温度和壁面热流密度偏大。11组元热化学平衡强电离流场温度最低;7组元热化学非平衡弱电离流场NO+和e-生成量过低;11组元热化学反应能对热化学非平衡电离流场气动力和热流密度载荷可靠预测。壁面催化作用会增大壁面热流密度,但它对高超声速热化学非平衡电离流场温度和气动力载荷的影响很小。      

昼夜温度变化对燃油箱空余空间氧浓度的影响

燃油箱空余空间氧浓度变化规律的确定是惰化系统的设计基础，但影响燃油箱空余空间氧浓度因素很多，当前人们对于昼夜温度变化这一实际现象还缺少必要的分析计算。为此，以某型飞机中央翼燃油箱为研究对象，依据FAR25适航条款中昼夜温度变化的相关规定，建立理论仿真模型，利用实验数据对模型进行验证，探讨燃油箱空余空间氧浓度与昼夜温度变化之间的对应关系，并分析昼夜温度变化范围、载油率、初始氧浓度、溶解氧析出等因素对燃油箱空余空间氧浓度的影响，提出满足适航条款要求的夜间停机前燃油箱初始氧浓度限值。研究结果表明:昼夜温度的变化范围、载油率、初始氧浓度等因素对燃油箱空余空间氧浓度变化规律影响程度有所不同；停机前燃油箱初始氧浓度限值应该低于最低氧浓度限值0.5%~1%。研究成果将对惰化系统设计、燃油箱可燃性暴露时间计算具有较好的参考价值。      

侧向微重力环境下板式表面张力贮箱内推进剂晃动行为分析

侧向微重力是航天器在轨飞行时在东西位置保持和南北位置保持状态时所处的加速度环境.由于航天器贮箱内推进剂在侧向加速度环境下的重定位过程易产生晃动，因此侧向加速度环境对贮箱内推进剂管理装置(PMD)的管理能力的要求更高.为确保板式贮箱对推进剂的在轨管理能力，需要开展一系列的数值仿真与试验对PMD的管理能力进行验证.本文以板式表面张力贮箱为研究对象，采用VOF两相流模型对侧向微重力环境下重定位过程中贮箱内推进剂的运动进行数值模拟，并对推进剂运动中的晃动行为进行分析.最终，通过数值模拟结果验证了板式表面贮箱的管理能力，为微重力落塔试验与空间站试验提供参考依据.     

SJ-10卫星固体材料燃烧实验装置

为对微重力条件下固体材料着火和火焰传播特性进行研究,研制了实践十号（SJ-10）卫星固体材料燃烧实验装置.利用空间高真空条件,采用实验段内气体环境更新和控制技术,实现了在有限实验空间内对多个实验样品进行研究,并提供准确可控的实验环境条件（氧气浓度和气流速度）.通过地面试验验证,该装置可通过实验样品、氧气浓度、气流速度、点火方式等实验参数的灵活组合,实现空间实验机会的充分利用和预定科学目标.