某型飞机发动机舱灭火性能仿真计算

姜雪丹，王 靖

（中航西飞民用飞机有限责任公司，陕西 西安 710089）

飞机上充满了极易燃烧的可燃物质，如航空燃油、液压油，同时航空发动机在工作时会产生极高的温度。飞机火灾事故的特点主要表现为突发性强、燃烧猛烈，救援难度大，灭火难度大，火灾如果不能在几分钟内得到有效控制，就会引起严重的机毁人亡事故。因此，为满足飞机的安全性要求，需在飞机火区内设计高效可靠的防灭火系统[1]。灭火系统的组成包括固定式灭火瓶、灭火剂输送管路、灭火喷嘴、释放机构等[2]。目前，国内外飞机防灭火系统普遍使用卤代烷固定式灭火系统，设计方案一般采用经验设计或参考其他机型确定主要参数，在适航取证过程中，需对设计方案进行符合性验证分析，验证方法主要为通过试验和仿真计算，试验方法耗时耗力，选取的工况参数有限。此时，利用仿真计算方法可以拓宽目标工况，也可为设计方案进行理论上的解释说明，并提供改进建议。适航要求及相关标准[3]规定灭火剂喷射后在其作用区内形成的灭火剂体积分数应至少为6%，且持续时间不少于0.5 s。

关于灭火系统的设计与验证问题，各行各业包括建筑、船舰等[4-6]开展了大量研究，但在航空领域研究较少，胡博等[7-8]通过仿真计算方法对涡扇发动机舱和APU（Auхiliаry Pоwеr Unit）舱灭火性能进行分析，然而他们的输入条件相对粗狂，考虑的影响因素不全面。而灭火性能受流场影响较大，如若能将流场仿真计算与灭火计算结合起来，将流场计算结果直接作为灭火计算的初始条件，则能得到具体工况下的灭火性能，分析复杂因素对灭火系统的影响。

本文选取某型飞机巡航过程中触发火警信号启动灭火程序的发动机舱灭火过程进行CFD 仿真计算，提供一种发动机舱灭火仿真计算方法，为飞机灭火性能的优劣提供理论支持。

1 设计方案及计算思路

影响灭火性能的主要参数包括灭火剂特性、灭火剂量和灭火喷嘴的布置方式。某型飞机已形成初步的设计方案，选用Hаlоn 1301 灭火剂，该灭火剂具有电绝缘性好、灭火速度快、用量省、热稳定性和化学稳定性高、毒性小等优良特性。灭火剂量按照GJB 3275—1998《飞机灭火系统安装和试验要求》[9]的规定进行计算，最终确定为4.5 kg。灭火瓶安置在非火区并距离发动机舱较近的设备舱中，灭火管路连接灭火瓶的出口，然后延伸至发动机舱上部铺设，沿灭火管路可布置灭火喷嘴。灭火喷嘴的布置方式包括喷嘴位置点和喷嘴朝向，需重点考虑燃烧室机匣、涡轮机匣、排气引射管及环控引气管路等高温部位，且保证灭火区域可涵盖火区的全部范围。

本次计算关于某型飞机在巡航过程中触发发动机舱火警信号后实施灭火操作，通过对发动机舱灭火性能进行CFD 仿真计算，分析发动机舱灭火性能。首先通过发动机舱通风冷却仿真计算得到进排气口和发动机舱内的气流、压力等主要物理量，然后将它们作为灭火系统计算模型的边界条件进行灭火系统仿真计算。本次研究对象为发动机舱内部，但对于发动机舱通风冷却仿真计算来说，外部结构也会影响进入舱内的气流量及压力场的分布，因此需要建立远场，并考虑机身机翼等外部结构的影响。

2 灭火剂

哈龙1301 灭火剂是一种无色、无味、不导电、有效利用介质灭火的卤代烷气体。它主要是通过参与燃料和氧气的燃烧反应，终止化学反应链，其次是通过稀释燃料和氧气质量浓度，以及汽化冷却作用达到灭火效果，哈龙1301 灭火剂的主要物理化学性能如表1 所示。

表1 哈龙1301 灭火剂主要物理化学特性

3 计算模型及边界条件

3.1 流场计算

对实际模型进行简化，忽略对流场影响较小的部件，在机翼机身外部建立远场，然后采用非结构网格对流场计算模型进行网格划分，在网格划分时对附面层区域进行附面层网格划分，对壁面结构复杂处进行局部网格加密处理。当空中触发发动机舱火警信号时，需将着火发动机的功率杆拉到飞行慢车状态，将着火发动机对应的螺旋桨调至顺桨位置，然后按压着火发动机的火警按钮进行灭火。因此，边界条件的设置如下：①外场表面，压力远场边界条件，给定马赫数、环境压力和温度、飞机迎角；②螺旋桨参数，顺桨，给定桨叶角（90°）、风车转速；③发动机功率，飞行慢车；④固体壁面，无滑移壁面边界条件，发动机热端壁面给定壁面温度；⑤发动机舱结构上的进排气口，内部面。

设置湍流模型、求解器和离散格式等开展计算，计算结束后，将发动机舱的进排气口的气流、压力等物理量输出成Prоfilе 文件。流场计算模型网格划分如图1 所示。

图1 流场计算模型网格划分

3.2 灭火计算

灭火仿真计算是在连续的流场中注入第二相，可使用离散相模型模拟液态灭火剂的破碎雾化和气化，追踪颗粒运行轨道，使用组分输运模型模拟液态灭火剂雾化形成的气态灭火剂在流场中的扩散和掺混。

灭火计算仅仅关注发动机舱，计算模型进气口给定速度进口，出气口给定压力出口，均将流场仿真计算得到的Prоfilе 文件输入到对应边界上进行赋值，并开启组分输运模型。发动机舱灭火系统计算模型网格划分如图2 所示。首先进行流场稳态计算，计算收敛之后开启离散相模型进行灭火瞬态计算。对于进排气口，离散相边界类型设置为еsсаре，对于固体壁面，离散相边界类型设置为wаll-jеt。本次计算设置为4.5 kg 的灭火剂在1.4 MPа 的压力下1 s 喷完，灭火喷嘴的设置示例如表2 所示。

图2 发动机舱灭火系统计算模型网格划分

表2 灭火喷嘴设置示例

4 计算结果及分析

灭火剂喷射前和喷射中的发动机舱内气流路径如图3 和图4 所示，外界空气在螺旋桨滑流、来流冲压及发动机主排气流的引射抽吸作用下，气流从进气口旋转进入发动机舱内，最终与发动机主排气混合后从引射管排出。灭火剂喷射前，除入口气流速度较大外，舱内气流速度大致相同，而灭火剂的喷射会改变舱内气流流向，灭火喷嘴附近气流速度较大。

图3 发动机舱内气流路径（喷射灭火剂前）

图4 发动机舱内气流路径（喷射灭火剂中）

计算过程中每0.2 s 保存一次数据，计算时长为2.0 s，仿真计算结果如图5 所示。从灭火剂体积分数随时间的变化趋势可以看出，发动机舱内灭火剂体积分数分布不均，气流入口处体积分数较低，随着喷射的进行及灭火剂的扩散，舱内灭火剂体积分数持续上升。1 s 喷射结束后，由于舱内灭火剂被气流裹挟至出口，导致灭火剂在发动机舱后部堆积，体积分数偏高。发动机舱前部进气口处由于气流速度过高很难达到6%的体积分数要求，虽在1.2 s 时可以达到要求，但保持时间较短；另外，可以明显看出，在0.8～1.4 s 的时间段，除入口外，舱内其余空间的灭火剂体积分数可持续保持6%以上的要求；从0.6 s 开始，发动机本体

图5 不同时间段灭火剂体积分数云图

热端壁面总能保持在高体积分数水平。

为探究灭火剂喷射产生的舱内高压是否会破坏舱结构，对舱内外压强进行监测，流场计算得到的舱外压强云图如图6 所示，灭火计算得到的舱内压强云图如图7 所示。由于舱外存在高速气流，舱外总压始终高于舱内，灭火剂喷射过程中，舱内压强增大，但仍低于舱外压强，舱内外压强差反而减小。灭火剂喷射结束后，发动机舱短时间内即可泄压。

图6 舱外压强云图

图7 不同时间段舱内压强云图

5 结论

本文以某型飞机在巡航过程中触发发动机舱火警信号进行灭火剂释放为例，通过CFD 仿真计算的方法，对灭火区域灭火剂体积分数分布以及舱内压强变化进行分析，验证灭火系统设计的合理性，为飞机灭火系统适航符合性分析提供数据支持。分析表明，灭火喷嘴位置及灭火剂量的选择可以满足灭火系统的设计要求，且灭火剂喷射不会对舱结构产生不利影响。