飞机货舱烟雾探测系统优化布置技术及平台研发

张 沛，孟曼利，汪 箭

(1.中航工业一飞院，西安，710089；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

飞机货舱烟雾探测系统优化布置技术及平台研发

张 沛1,2，孟曼利1，汪 箭2*

(1.中航工业一飞院，西安，710089；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

对飞机货舱烟雾探测系统布置原则进行了论述，提出了一套飞机货舱烟雾探测系统布置方法，并开发出一套烟雾探测系统布置优化平台。对烟雾探测系统布置中的几个关键技术问题进行了详细讨论，并以某型运输机货舱为实例进行了仿真计算。

烟雾探测；布置方法；仿真计算

0 引言

飞行事故伴随着航空业的发展，空中失火是导致飞行事故的重要因素[1]。运输类飞机货舱内空间大，货物装载构型多样，同时货舱内布置有各种电气设备，铺设了大量的电气线缆，一旦发生火情，如果没有及时发现并采取相应措施，就会危及飞机安全。

烟雾是火灾的前兆和伴随产物，也是早期火灾探测的基础，现代飞机货舱火警探测大部分采用烟雾探测技术。目前飞机货舱内的烟雾探测系统布置通常采用经验设计或参考相关机型进行布置， 缺乏一种成熟、有效的烟雾探测系统布置方法[2]。因此，从飞机货舱烟雾探测系统性能优化的角度出发，研究适用于飞机货舱环境的烟雾探测布置方法无疑具有重要意义。

1 烟雾探测系统布置原则

在飞机货舱内合理地布置烟雾探测器，应满足以下原则：

1) 安全性，即所有的探测区域都在烟雾探测器的监视范围内，不存在探测不到的“死角”。

2) 经济性，即充分利用每个烟雾探测器的监视空间，在保证安全性的前提下，使探测器的数量最少。

因此，在飞机货舱烟雾探测系统的布置原则是要在满足安全性的前提下，提高系统的经济性。

2 研究目标

根据《中国民用航空规章》第25.858条规定，对于每个装有烟雾探测装置的货舱或行李舱，必须满足：“该探测系统必须在起火后一分钟内，向飞行机组给出目视指示[3]。”本条款明确给出了飞机货舱或行李舱烟雾探测系统的性能要求。因此，对于一个给定的飞机货舱，本文的研究目标是在满足《中国民用航空规章》第25.858条要求的前提下，确定烟雾探测器的数量和位置两个元素。

3 研究步骤

本文采用FDS(Fire Dynamics Simulator)作为烟雾仿真工具，通过反复迭代计算，最终输出探测器的数量和位置。

FDS是美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的一款火灾动力学场模拟软件，它以火灾烟气流动和热传递过程为重点研究对象[4]，是目前公认优秀的烟气模拟工具。目前，FDS在建筑等领域已经有了广泛的应用，但是采用火灾模拟软件研究飞机烟雾探测系统的布置设计在国内还刚起步。

本文提出的研究流程如图1所示。

图1 烟雾探测系统布置流程Fig.1 Smoke detection system placement procedure

第一步：初步确定飞机货舱内烟雾探测器的数量和位置(具体确定方法见4.1节)。

第二步：根据飞机货舱的实际尺寸、典型货物装载构型和烟雾探测器的初步布置位置建立FDS模型。

第三步：对已建立的模型划分网格。

第四步：设置模型各种属性和边界条件，包括根据飞机环控系统的实际情况设置货舱供气口和排气口属性，壁面、地板、货物和各种设施的材料属性，一个火源的位置和参数，烟雾探测器性能参数。

第五步：进行仿真计算。

第六步：判断是否完成所有火源位置的计算；如果未完成，则转入第四步，进行下一个火源位置的计算(火源位置的确定方法见4.3节)；如果已完成，则转入下一步。

第七步：查看所有火源位置的计算结果，判断货舱烟雾探测系统的响应时间t是否小于60 s。若t>60 s，则系统布置不满足要求，需要调整烟雾探测器布置，转入第四步进行重新计算；若t≤60 s，则系统布置满足要求，转入下一步。

第八步：输出计算结果，结束。

4 关键技术研究

4.1 烟雾探测器初步布置

1) 烟雾探测器初步数量的确定

烟雾探测器初步数量的确定可由公式(1)计算出：

(1)

式中N为烟雾探测器数量，计算结果舍去小数；

S为货舱探测区域的面积，根据飞机货舱三维数模确定；

A为烟雾探测器保护面积，由烟雾探测器供应商提供。

2) 烟雾探测器初步位置的确定

烟雾颗粒是火灾早期的重要特征。如图2所示，烟雾颗粒从火源产生后，因为高温气体比周围空气的密度低所引起的烟气热浮力效应，烟气首先向火源上方运动；当到达货舱顶部时，在顶部逐渐积聚，然后再向附近区域扩散。

图2 货舱内烟雾产生及扩散路径示意图Fig.2 Generation and diffuseness of smoke in cargo compartment

图3 烟雾探测器初步布置示意图Fig.3 Preliminary placement of smoke detectors

因此，在初步布置时通常将烟雾探测器均匀布置在货舱顶棚，考虑到飞机货舱通常是对称结构，一般将烟雾探测器均匀布置在飞机对称面上，如图3所示。

根据以上计算方法和布置原则，能够得到初步烟雾探测器数量和布置。

4.2 不规则曲面FDS建模[5]

FDS的效率在于它对数字网格的简化，仅能够对矩形几何体进行直接建模，目前主要应用在规则

形面的场景中，但是飞机外形和内部结构中有大量的不规则形面，无法对不规则形面进行建模制约了FDS在航空领域的应用。

邵等[6]提出了一种用矩形方块来拟合圆弧墙或斜线墙的算法，能够较好地解决等截面隧道的建模问题，但是对于飞机上一些曲率变化较大的非规则形面建模则无法顺利完成；ARX-FDS、PyroSim等几款软件能够解决AutoCAD环境下的曲面建模问题，因为CATIA与AutoCAD软件格式不兼容的问题，转换效率低，需要手工进行大量的修改，也无法较好的用于航空领域。

本文提出一种用大量小矩形块逼近不规则曲面的方法，利用CATIA软件结合编程的方式，能够高效地完成不规则曲面自动建模，其工作流程见图4。

图4 FDS非规则形面建模流程Fig.4 Irregular surface modeling procedure in FDS

本文提出的不规则曲面自动建模思想是：首先将不规则形面进行“三角化”，然后将所有的三角形沿同一矢量方向拉伸，得到三角形棱柱。根据网格的尺寸和位置，将所有与三角形棱柱相交的网格进行标定，为了节省计算机资源，提高建模效率，再将被标定的六面体单元合并成较少的矩形块；最后根据合并后的矩形块的坐标生成OBST命令行，导入FDS后完成建模。不规则形面FDS建模如图5所示。

4.3 火源位置的确定

根据AC25-9A《烟雾探测、穿透、排烟试验和相关飞行手册应急程序》，火源(烟雾发生装置)应布置

图5 不规则形面FDS建模示意图Fig.5 Irregular surface modeling in FDS

在货舱内货物装载区域的边界上。

为了保证区域内不存在探测“死角”，本文提出火源位置应按照以下方法确定：

1) 在飞机货舱的俯视图中选取相邻两个烟雾探测器连线的中点，再向货物装载区域边界进行投影得到一系列火源位置；

2) 在货舱的前后两端，选取货物装载区域边界上距离烟雾探测器最远的位置设置火源。

火源位置选择示意图见图6。

图6 火源位置选择示意图Fig.6 Fire source position definition

4.4 探测器反应时间的确定

目前，飞机货舱多采用光电式烟雾探测器。如图7所示，由于空气样本从烟雾探测器外部进入到探测器传感腔需要一段时间，因此探测器内部的减光率值相对于探测器外会有一个滞后时间，图7中tB-tA即为探测器反应时间。

图7 烟雾探测器反应时间示意图Fig.7 Smoke detector reaction time

根据《中国民用航空规章》第25.858条，货舱烟雾探测系统应“在起火后一分钟内，向飞行机组给出目视指示”，而根据AS8036《货舱火警探测装置》和HB7098-1994《民用航空器货舱和行李舱烟雾探测器最低性能要求》，光电式烟雾探测器应在空气样本进入探测器后30 s内输出告警信号。由此可见，烟雾探测器反应时间有可能会占据烟雾探测系统整个响应时间相当大的一部分。因此，烟雾探测器反应时间的确定，对于飞机货舱烟雾探测系统布置方法研究非常重要。

本文采用Cleary模型来确定烟雾探测器反应时间[7]，具体公式如下：

(2)

(3)

(4)

δt为烟雾探测器的响应时间(s)；

δte为空气样本进入烟雾探测器外壳的时间(s)；

δtc为空气样本进入烟雾探测器传感腔的时间(s)；

u为烟雾探测器安装处的自由气流速度(m/s)；

αc、βc、αe、βe为烟雾探测器的特征参数(无量纲参数)。

从公式(2)～公式(4)可以看出烟雾探测器的响应时间是其安装处自由气流速度的函数，通过确定αc、βc、αe、βe值就可以在计算中得到烟雾探测器的响应时间。

αc、βc、αe、βe值一般由供应商进行确定，通常通过试验进行标定，也可以通过仿真计算，对烟雾探测内部结构进行详细建模后确定。

5 平台开发

以VC++为编程工具开发出了技术平台，该平台能够自动读入CATIA等三维建模工具输出的stp格式文件，完成非规则形面建模、网格划分、边界条件设定等工作后，调用烟雾仿真工具FDS软件进行计算，然后再调用MATLAB软件读入FDS计算结果，利用遗传算法优化出烟雾探测系统布置。开发平台界面如图8、图9所示。

图8 烟雾探测系统布置优化平台主界面Fig.8 Main interface of smoke detection system placement optimization platform

图9 烟雾探测系统布置优化平台操作界面Fig.9 Operation interface of smoke detection system placement optimization platform

6 实例

以某型运输机货舱烟雾探测系统为例，对上述研究方法进行验证。根据飞机三维数模，货舱长22m，宽4m，则货舱探测区域的面积为88m2；选用的烟雾探测器保护面积A=15m2；根据公式(1)烟雾探测数量N=88/15=5.9，取整数为6。

将6个烟雾探测器均匀布置在货舱顶棚，同时保证这些探测器分布在飞机对称面内。根据飞机货舱数模建立FDS模型，见图10，其中货舱前段、尾段和内部设施的非规则曲面采用4.2节提出的方法进行建模。

对模型进行网格划分，并根据飞机环控系统的实际情况设置货舱供气口和排气口属性，壁面、地板、货物集装箱和各种设施的材料属性。烟雾探测器的告警阈值为透光率80%/ft～85%/ft。采用4.4节提供的模型来定义探测器的响应时间，由供应

图10 某型运输机货舱FDS模型Fig.10 FDS model of a transport aircraft cargo compartment

商标定的4个烟雾探测器特征参数为αc=1.0，βc=-0.8，αe=1.8，βe=-1.1。

将上述参数输入到烟雾探测系统布置优化平台中进行计算，根据计算得到的探测器响应时间，以遗传算法为工具进行布置优化，经过两轮迭代，输出了满足1min响应时间要求的烟雾探测系统布置，见图11。

图11 烟雾探测系统仿真计算结果Fig.11 Smoke detection system simulation result

7 结论

本文给出了一套飞机货舱烟雾探测系统布置设计方法，采用数值仿真技术指导飞机货舱烟雾探测系统设计，并开发出了一套烟雾探测系统布置优化平台，提高了系统的设计效率和精度，为提高飞机火灾安全设计提供了参考。

[1] 孙明，等.飞机火警信号异常与处置时机[J].四川兵工学报，2009，30(9):84-87.

[2] 孟曼利，张沛.一种飞机机舱烟雾探测系统试验方法[P].中国:ZL201110037667.5, 2012-12-26.

[3]C25-R4-2001.中国民用航空规章第25部[S].

[4]HackA.Fireprotectionintraffictunnels-initialfindingsfromlarge-scaletests[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology, 1992, 7(4):363-375.

[5] 张沛，等.FDS非规则形面建模方法研究[J]. 飞机工程，2011，3:48-50.

[6] 邵钢，等.FDS中非矩形边界隧道的自动建模[J].计算机工程与应用，2005,41(36)：213-216.

[7]McGrattanKB,etal.Firedynamicssimulatortechnicalreferenceguide(Version5)[M].Washington,DC:NationalInstituteofStandardsandTechnologySpecialPublication, 2007: 39-40.

Placement optimization and platform development of aircraft cargo smoke detection system

ZHANG Pei1,2, MENG Manli1, WANG Jian2

(1.AVIC The First Aircraft Institute，Xi’an 710089, China; 2.State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

This paper discusses the aircraft cargo compartment smoke detection system placement principles. A placement method is proposed, and an optimization platform is developed for the smoke detection system. Several key technical issues of smoke detection system are discussed in detail, and an example on transport aircraft is given and simulated.

Smoke detection; Placement method; Simulation

2016-01-14；修改日期：2016-07-11

张沛(1982-)，高级工程师，博士生，研究方向是飞机防火系统设计，火灾仿真研究。

汪箭，E-mail:wangj@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00228-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.11

X93; X932

A