货舱烟雾探测最严酷火源位置数值模拟研究

程书山

【摘 要】本文基于火灾动力学模拟器FDS，对民用客机货舱行李着火时烟雾传播和货舱烟雾探测系统的性能进行了模拟。对某型飞机货舱的39个火源位置的烟雾传播和探测系统的性能就行了数值模拟研究，数值模拟结果显示，货舱最严苛的火源位置位于后壁板附近且靠近通风出口。

【关键词】民用飞机；货舱；烟雾探测

【Abstract】The fire dynamics simulator FDS was employed to simulate the smoke translation and smoke detection performance in passenger aircraft cargo compartment. Aircraft cargo compartment smoke translation and smoke detection performance is simulated in 39 different fire source location. The critical fire location is beside the back wall and close to the vent exit.

【Key words】Civil Aircraft； Cargo Compartment； Smoke Detection

1 研究目的

货舱着火是民用客机安全的一个很严重的威胁。民用客机货舱一般都为C级货舱，位于客舱的下面，飞行中乘务员无法到达，货舱着火时也无法直接目视观察到。对于C级货舱，CCAR 25.858要求货舱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。

为了证明货舱烟雾探测系统的性能满足适航条款要求，目前都是通过地面试验和飞行试验在货舱中放置烟雾发生器模拟货舱起火。但是地面和飞行试验花费较大且所需时间较长。随着计算流体动力学（CFD）的发展和计算机硬件能力的提高，使用CFD技术模拟货舱中的火灾和烟雾探测系统的性能成为可能。利用CFD技术对货舱烟雾传播和烟雾探测性能进行模拟可以方便的模拟不同场景时烟雾的传播，通过对数值模拟结果的分析获得烟雾传播的规律，可以找出最严苛的烟雾发生位置，为试验时烟雾发生器位置选择提高参考[1-3]。

2 研究方法

本文利用美国国家标准和技术研究院（National Institute of Standards and Technology（NIST））的火动力学模拟器FDS（Fire Dynamics Simulator）模拟货舱烟雾传播和烟雾探测器对烟雾的响应，对某型飞机前货舱烟雾传播和烟雾探测器响应进行了数值模拟研究。

FDS软件采用数值方法求解受热源驱动低马赫数流动的N-S方程（Navier-Stokes Equations），重点计算火源造成的的烟雾和热量传播[4]。FDS数值求解受热源驱动下低速流动（马赫数小于0.3）的N-S方程，其核心算法为二阶显式预估校正格式。FDS采用大涡模拟（LES，Large Eddy Simulation）模拟湍流流动，在足够细的网格下能实施直接数值模拟（DNS， Direct Numerical Simulation）。对于燃烧的模拟，FDS采用基于单步化学反应的混合分数模型模拟燃烧。

3 某型飞机货舱烟雾探测性能模拟

某型飞机货舱的尺寸为长X.XX米、宽X.XX米、高X.XX米，在货舱壁上布置有通风口，通风量XXL/S。前货舱进气口位于前货舱前壁板前侧，排气口位于前货舱后部的右侧壁板。在货舱顶部板，沿中心线左右均匀布置四个模拟烟雾探测器，当至少两个烟雾探测器触发时系统会发出货舱烟雾告警。如图1所示。

本文共选取了39个火源点分别进行模拟，所有火源点位于货舱底部，从左到右共3排，每排13个点，从前到后依次编号1～13。如下图所示：

图3为左侧13个火源点告警时间。图4为中间13个火源点告警时间。图5为右侧13个火源点告警时间。

根据数值模拟计算结果，对于39个不同的火源位置，货舱烟雾探测系统都可以在着火后一分钟内发出告警。当火源位于右侧的第13号位置时，烟雾探测系统的响应时间最长（46.1秒），该处为最严苛的火源位置。对此时的烟雾传播和气流流场分析发现，由于通风出口位于后面侧壁上，火源距离通风最近，该处烟雾很容易受出口气流影响，被气流带走，因而不易达到告警浓度，故该火源位置为最严苛位置，如图6所示（图中右侧色带为温度（℃））。

4 结论

本文利用FDS软件对货舱内烟雾传播和探测系统性能进行了数值模拟研究，结果显示，对于不同的火源位置，货舱烟雾探测系统都可以在着火后一分钟内发出告警。当火源位于右侧的第13号位置时，烟雾探测系统的响应时间最长（46.1秒），该处为最严苛的火源位置。数模模拟方法可以有效预测货舱内的烟雾传播；利用该方法对评估烟雾探测系统性能有一定的应用意义。

【参考文献】

[1]David Blake. Development of a Standardized Fire Source for Aircraft Cargo Compartment Fire Detection Systems. DOT/FAA/AR-06/21.Atlantic City： Federal Aviation Administration William J. Hughes Technical Center，2006.

[2]Ramon Papa. CFD analysis of smoke transport inside an aircraft cargo compartment[J].J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. （2016） 38：327-334.

[3]Ezgi ztekin.Smoke transport in a cargo compartment[R].Koeln，Germany：International Aircraft Systems Fire Protection Working Group，2011.

[4]Fire Dynamics Simulator （Version 5） Users Guide[K].National Institute of Standards and Technology， 2010.

[責任编辑：朱丽娜]