設(shè)計一套民用飛機(jī)防火系統(tǒng)地面模擬試驗的氣流模擬系統(tǒng)，包括風(fēng)機(jī)規(guī)格型號及其與配套設(shè)備的確定、流量控制閥和管路的確定，等等；同時對氣流模擬系統(tǒng)進(jìn)行了三維建模仿真計算，確定了氣流模擬系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)滿足設(shè)計要求。
【關(guān)鍵詞】風(fēng)機(jī)；氣流調(diào)節(jié)閥；管路；仿真計算
Research of airstream simulation system applied in fire protection system ground test
FANG Hui-bo
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210， China）
【Abstract】According to the flux and pressure of inlet in nacelle， APU compartment and cargo compartment during fight， an airstream simulation system used in fire protection system is designed. A ventilator system and control valves are chosen and the diameter of each pipe is calculated. A three-dimensional simulation based on FLUENT is conducted while loading in real situations. The results confirm the design of airstream simulation system is appropriate.
【Key words】Ventilator； Pipe； Control valve； Simulation
為模擬飛機(jī)飛行過程中試驗艙的真實(shí)氣流情況，根據(jù)工程經(jīng)驗，在某型飛機(jī)地面試驗中通過變頻器控制電機(jī)帶動風(fēng)機(jī)和電動調(diào)節(jié)蝶閥精確模擬試驗所需氣流，如馬海峰的研究[1]。氣流模擬系統(tǒng)作為試驗系統(tǒng)的一部分，主要為試驗艙提供試驗所需的氣源以及真實(shí)氣流環(huán)境。本文中的供氣系統(tǒng)，采用鼓風(fēng)機(jī)提供氣源，通過管路引入試驗艙，通過各支管路的調(diào)節(jié)閥調(diào)整開度實(shí)現(xiàn)流量控制，以滿足試驗的氣體流量需求。
1 系統(tǒng)原理與組成
氣流模擬系統(tǒng)用于模擬飛行過程中的氣流情況，采用鼓風(fēng)機(jī)作為氣源，通過管路布設(shè)將氣流輸送到各個試驗艙，采用氣流調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)流量控制，具體氣流流量范圍由各分支管路在真實(shí)飛機(jī)上的氣流情況決定，并可通過安裝于管路上的流量計監(jiān)測。
氣流模擬系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)及其配套設(shè)備、模擬系統(tǒng)管路、氣流調(diào)節(jié)閥、流量計等組成，其原理圖如圖1所示。
圖1 氣流模擬系統(tǒng)原理圖
2 風(fēng)機(jī)
根據(jù)工程經(jīng)驗，氣流模擬系統(tǒng)采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)提供加壓氣源，根據(jù)試驗臺用氣要求，綜合考慮試驗艙和管路流阻，估算風(fēng)機(jī)出風(fēng)口壓力應(yīng)不低于80kPa，總流量不低于2.3kg/s。因此，綜合考慮上述參數(shù)，參考通風(fēng)機(jī)基本形式、尺寸參數(shù)及性能曲線[2]中的選型標(biāo)準(zhǔn)，最終選定羅茨鼓風(fēng)機(jī)型號為ASF-295E，配套恒頻交流電機(jī)型號為YKK400-6。羅茨鼓風(fēng)機(jī)配套設(shè)備包含鼓風(fēng)機(jī)、恒頻交流電機(jī)、出口氣流冷卻器和隔聲罩。機(jī)組性能參數(shù)如下：
1）額定風(fēng)量：128m3/min（2.6kg/s），標(biāo)準(zhǔn)大氣條件；
2）額定壓升：102kPa；
3）額定轉(zhuǎn)速：980r/min；
4）電機(jī)額定功率：355kW。
鼓風(fēng)機(jī)機(jī)房設(shè)計通風(fēng)設(shè)備，風(fēng)機(jī)間通風(fēng)量每分鐘不小于180m3，以保證風(fēng)機(jī)間環(huán)境溫度不高于60℃，保障設(shè)備在規(guī)定環(huán)境溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)。
排氣泄壓閥壓力設(shè)置在105kPa，防止壓力過高對設(shè)備和人員造成傷害。
鼓風(fēng)機(jī)及電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過控制系統(tǒng)，可進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程控制，接受并執(zhí)行“準(zhǔn)備”、“啟動”、“運(yùn)行”、“停車”、“急停”等控制指令。風(fēng)機(jī)的起動配備有軟起動裝置，保障大功率電機(jī)的安全起動。
3 氣流調(diào)節(jié)閥
為實(shí)現(xiàn)供氣系統(tǒng)各分支管路的流量匹配，采用法蘭蝶閥、電動調(diào)節(jié)閥和手動節(jié)流閥調(diào)節(jié)各分支管路的流阻。各分支管路流體參數(shù)見表2。
調(diào)節(jié)閥通徑的選取根據(jù)已知的流體參數(shù)，先計算出流量系數(shù)（Cv）值，然后再根據(jù)調(diào)節(jié)閥的額定Cv值，選取合適的調(diào)節(jié)閥通徑。Cv值的計算方法如下[3]：
式中：Q為在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下通過閥的的最大流量（m3/h）；
G為空氣密度，計算時取1.225kg/m3；
T為流體溫度（℃），計算時取40℃；
P1、P2分別表示調(diào)節(jié)閥進(jìn)口和出口絕對壓力（kg/cm2）；
？駐P=P1-P2表示調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口端壓差（kPa）。
根據(jù)計算結(jié)果，確定各分支管路調(diào)節(jié)閥的額定Cv值和公稱通徑，見表1。
表1 氣流模擬系統(tǒng)各管路閥門類型及通徑
電動調(diào)節(jié)閥選取重慶川武儀表有限公司生產(chǎn)的R600電動調(diào)節(jié)閥，其閥體材質(zhì)為WCB（普通碳鋼），閥芯材質(zhì)為304不銹鋼，連接形式為法蘭連接。其性能參數(shù)如下：
1）泄露量：小于額定Cv的10-4；
2）回差：小于2%；
3）可調(diào)比：50：1。
手動節(jié)流閥和法蘭碟閥閥體材質(zhì)為WCB（普通碳鋼），閥芯材質(zhì)為304不銹鋼，連接形式為法蘭連接，調(diào)節(jié)精度為3級。
4 氣流管路
根據(jù)試驗艙用氣需求，氣流模擬系統(tǒng)供氣系統(tǒng)設(shè)計末端分支管路共14路。在鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口消音器下游總管上，設(shè)置有單獨(dú)泄流旁通管路。
綜合以下因素，確定各總管和分支管路的尺寸：
1）基于管路氣流模擬系統(tǒng)的流量要求，以各分支管路氣體流速不超過50m/s為基本條件；
2）調(diào)節(jié)閥的流阻特性需求，以及所選閥的公稱通徑；
3）質(zhì)量流量計的測試條件要求。
根據(jù)上述原則，氣流模擬系統(tǒng)管路設(shè)計管徑如表2所示。
表2 氣流模擬系統(tǒng)供氣系統(tǒng)管路管徑設(shè)計參數(shù)
5 仿真計算
為驗證設(shè)計方案的可行性，對氣流模擬系統(tǒng)進(jìn)行三維仿真計算，CFD仿真軟件為Fluent14.0，選用k-？著湍流模型[4]。
仿真模型以鼓風(fēng)機(jī)排氣消聲器出口端為入口邊界，著重模擬管網(wǎng)內(nèi)部的流場，簡化了調(diào)節(jié)閥和流量計實(shí)體模型，只考慮此類部件帶來的壓損。根據(jù)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)定風(fēng)機(jī)出風(fēng)口為恒流，即保持流量不變，為2.6kg/s，壓力隨管道負(fù)載在0～102kPa變化。實(shí)際管網(wǎng)系統(tǒng)末端接試驗艙管路接口，仿真模型設(shè)定管網(wǎng)系統(tǒng)末端為壓力出口邊界。
建模過程及仿真模型的網(wǎng)格劃分如圖2（圖2左為仿真模型，右為模型網(wǎng)格劃分）所示，計算結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖3可以看出，氣流模擬系統(tǒng)管路中，最大的氣體流速不超過50m/s，滿足2.2節(jié)中管路尺寸的選取。圖4中的氣流管路壓力分布則表明：結(jié)果分析表明：任一支路氣流在管路中沿程損失和局部損失不超過2kPa，管徑的選取和管路的布置合理。
根據(jù)氣流模擬系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果，可以得出通過設(shè)定各分支管路不同的流阻，可以實(shí)現(xiàn)流量按需分配，滿足試驗調(diào)節(jié)需求；任一支路氣流在管路中沿程損失和局部損失不超過2kPa；分支管路（4-9）6個進(jìn)氣小孔末端分支管路的流量分配基本均衡，最大不均衡度小于5%。
6 結(jié)論
根據(jù)氣流模擬系統(tǒng)的設(shè)計要求，參照真實(shí)飛機(jī)上的氣體流量，最終選擇額定風(fēng)量為2.6kg/s的羅茨鼓風(fēng)機(jī)作為供氣源；以及通過流量參數(shù)取定各總管路與分支管路的尺寸，并綜合考慮系統(tǒng)布局，形成氣流模擬系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。最后通過對管路設(shè)計進(jìn)行仿真計算，得到的結(jié)果表明設(shè)計的氣流模擬系統(tǒng)管路布局能滿足設(shè)計、試驗要求。
【參考文獻(xiàn)】
[1]馬海峰.一種氣流模擬系統(tǒng)在飛機(jī)地面試驗中的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].技術(shù)與應(yīng)用，2011.12：21-23.
[2]通風(fēng)機(jī)基本形式、尺寸參數(shù)及性能曲線.GB/T3235-2008[Z].
[3]歸柯庭，汪軍，王秋穎.工程流體力學(xué)[M].科學(xué)出版社，2003.
[4]朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT流體分析工程案例精講[M].電子工業(yè)出版社，2013.8.
[責(zé)任編輯：王楠]S