航空电缆火焰冲击实验与模拟＊

李启伦，王 志，曲 芳

（沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136）

航空电线电缆在实际燃烧过程中，护套和绝缘层等套层结构的材料最先受到热影响发生热解反应[1]。随着外界环境温度的升高，电线电缆套层材料在外界热环境的影响下分子结构发生改变。随着外界环境温度的持续升高，电线电缆套层材料由熔融态继续发生热解，生成碳化物和可燃气体等物质[2-3]。当可燃气体的质量浓度达到燃烧条件时，电线电缆套层材料发生燃烧，产生热量和烟气等火灾危害。因此，研究航空电线电缆材料在火焰冲击下的变化过程，是分析航空电线电缆燃烧的基础性工作。

1 火焰冲击试验部分

1.1 试验装置

试验装置主要由防/耐火基础试验平台和热电偶测温系统2部分组成。基础试验平台主要由耐高温316钢质箱体、本生灯及供气系统、夹具升降平台组成，试验件在设备上的装夹如图1所示。

图1 试验电缆装夹

1.2 试验过程

依据《民用飞机机载设备环境条件和试验方法》（第14部分：防火、可燃性试验），使用本生灯进行垂直和水平可燃性试验时，火焰高度为38 mm，火焰温度范围为800～1 000℃。

试验过程如下：①打开设备电源；②调整空气及燃气流量计使火焰高38 mm，同时火焰温度为设定温度；③按下“计时”按钮，启动计时并达到设定值，火焰自动熄灭完成火焰校准；④确认试验件安装到位，相关参数与试验工况表内容相符，同时检查各数据采集设备处于正常工作状态；⑤打开温度数据采集系统，开展试验数据的采集工作；⑥试验结束，将燃烧器移除后收集试验样品的烧蚀产物。

在电缆不同区域布置热电偶测温元件，获取电缆内部温度场数据及随时间的变化曲线。热电偶布置位置如图2所示。热电偶1位于线芯绝缘层外，热电偶2位于线芯中间。

图2 电缆横截面及热电偶布置示意图

热电偶布置方法：紧贴外层保护套和绝缘层将热电偶1插入电缆内部，热电偶2沿轴向插入金属线芯内部，插入深度要能够使热电偶测温端位于火焰作用中心区域。

1.3 试验结果

电缆火焰冲击试验前后的形貌对比如图3所示。温度数据如表1所示，用热电偶1测量绝缘层外温度，用热电偶2测量金属线芯温度。

图3 电缆试验前后对比图

表1 电缆温度数据

电缆火焰冲击试验2个热电偶的温度示数在800℃，火焰冲击15 min时的变化曲线如图4所示。

图4 电缆线芯和绝缘层温度随时间变化曲线

从图4中可以看出，在火焰冲击作用5 min前，外层保护套未被完全破坏，2个热电偶示数平稳；5 min后由于外层保护套被火焰破坏，2个热电偶所测的温度受火焰波动直接影响。由于生成的碳层包裹线芯，线芯温度（508.8℃）低于绝缘层外部温度（585.9℃）。

2 火焰冲击模拟

2.1 标准k-Omega模型

标准k-Omega模型是一种基于湍流能量方程和扩散速率方程的经验模型，它是为了考虑低雷诺数、可压缩性、剪切流传播基于Wilcox k-Omega模型而修改的，可以很好处理近壁处低雷诺数的数值计算。标准k-Omega模型的湍动能及其比耗散率输运方程为：

式（1）（2）中：Tk和Tω分别为k和ω的扩散率；Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gω为由ω方程产生的湍流动能；Yk和Yω为由于扩散而产生的湍流。

2.2 Shear Stress Transport模型

基于SST模型的k-Omega方程考虑了湍流剪切应力的传输，可以精确预测流动开始和负压梯度下流体的分离量。SST模型的最大优点在于考虑了湍流剪切应力，从而不会对涡流粘度造成过度预测[4]。SST模型的湍动能方程也为式（1），其比耗散率输运方程为：

式（3）中：Dω为正交发散项；其余各参数与标准k-Omega模型中的参数含义相同。

2.3 材料参数的设定

由于ANSYS Fluent软件的材料库中并没有聚四氟乙烯，所以需要设定聚四氟乙烯的比热容和导热率，如表2所示。

表2 聚四氟乙烯的比热容与导热率

Fluent模拟电缆火焰冲击试验在800℃火焰下冲击15 min时的温度分布云图如图5所示。

图5 火焰冲击15 min电缆温度分布云图

模拟过程中2个热电偶位置处温度随时间变化曲线如图6所示。

图6 模拟过程温度随时间变化曲线

3 结论

火焰温度为800℃时，聚四氟乙烯带被火焰破坏，2个热电偶测得的温度受火焰波动直接影响；聚四氟乙烯层燃烧后碳化，导致线芯温度低于聚四氟乙烯层外部的温度[5]，通过Fluent的仿真模拟也可以印证实验得到的这一规律。