CN103164620B - 金属碎片撞击下油箱附近干舱燃烧判据分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属碎片撞击下油箱附近干舱燃烧判据分析方法，根据飞机飞行剖面图和燃油闪点温度的公式，通过公式计算得到一个飞机燃烧包线随飞机飞行剖面变化的关系图，并通过分别分析温度、压力、高度和燃油成分对于燃油燃烧极限的影响关系，并计算出燃油的极限氧浓度，从而绘制出燃烧三角图。本发明的燃烧判据可准确判断不同飞行高度下油箱附近干舱燃烧的条件，燃油燃烧包线和燃烧三角型的表现形式简洁直观，有利于减少飞机燃烧爆炸发生的概率，提高飞机的生存能力，同时也可以用于摩托车、汽车和轮船等交通工具的油箱在遭受高速金属碎片撞击后发生燃烧的判定。

Description

金属碎片撞击下油箱附近干舱燃烧判据分析方法

技术领域

本发明涉及飞机燃油系统高生存力分析与设计领域，具体是一种飞机油箱遭受高速金属碎片撞击导致附近干舱起火与持续燃烧发生条件的分析方法。

背景技术

飞机干舱指的是位于飞机外表面蒙皮和内部结构之间的舱室或空腔。干舱中通常分布有液压管路、燃油管路以及航电设备和线路等，干舱在遭到高速金属碎片撞击并穿透后所引起的燃烧或爆炸通常会导致周围结构的二次损伤，如燃油箱的燃烧或爆炸、航电设备的损毁、干舱周围承力结构的毁伤等。这些通常会导致飞机燃油系统的失效。飞机燃油系统的暴露面积通常占全机的50％以上，是飞机上最容易遭受金属碎片撞击的系统，燃油系统中的燃油箱中含有大量易燃的燃油，在遭到高速金属碎片撞击并穿透后燃油泄露进入附近的干舱，非常容易引起干舱的燃烧和爆炸。飞机油箱附近干舱的燃烧和爆炸是导致飞机失效的主要原因之一。

飞机油箱附近干舱燃烧和爆炸的前提条件是飞机油箱遭受高速金属碎片撞击并穿透，油箱内携带的易燃燃油泄漏到附近的干舱中，此类金属碎片可能是发动机叶片遭到结构破坏时产生的高速刚性破片等。因此，需要建立油箱穿透及燃油蒸发的数学分析模型。

影响飞机油箱附近干舱的燃烧和爆炸的条件主要有两个。一是飞机油箱内燃油的温度，靠近进气道或散热装置的飞机干舱，将会导致干舱内燃油温度的升高或降低，不同燃油温度条件下液体燃油的蒸发情形也不一样，进而影响干舱内的油气浓度；另一个是飞机飞行剖面，飞机飞行高度不同，干舱内外大气的温度和压力也不同，进而影响油气/氧气混合物的燃烧。据此，在定量分析干舱持续燃烧判据时，也需要分成两个部分，一是燃油燃烧温度上下限的分析，即分析满足燃油燃烧的液体燃油的温度；一是燃烧极限的分析，即分析满足燃油燃烧的油气/氧气浓度比的变化范围。

目前针对飞机燃烧和爆炸的研究多集中于油箱燃烧和爆炸方面的研究，较少的考虑了不同飞行高度下的油箱附近干舱的燃烧和爆炸分析，缺乏系统的进行干舱起火及持续燃烧分析。

本发明的目的是建立高速金属碎片撞击并穿透油箱条件下干舱燃烧数学模型以及确定干舱持续燃烧的判据。干舱易燃性分析可为下一步进行干舱防燃抑爆措施的采取提供理论和数据支持，有利于减少飞机燃烧爆炸发生的概率，提高飞机的生存能力。

发明内容

为克服高速金属碎片撞击并穿透油箱条件下附近干舱燃烧理论分析的不足，本发明提出了一种不同飞行高度下油箱附近干舱持续燃烧判据的定量分析方法。

本发明首先进行高速金属碎片撞击条件下油箱穿透模型分析，通过JTCG/ME穿透方程解决油箱壁的穿透问题；通过燃油泄漏质量流速分析通过油箱壁穿孔泄露进入附近干舱的燃油的质量；通过燃油蒸发通量解决干舱内油气浓度问题。

本发明是确定油箱附近干舱燃烧判据的方法，具体实施步骤：

步骤1，根据飞行任务输出飞机飞行剖面图，得到一个飞机飞行高度随时间变化的表达式；

步骤2，从燃油闪点温度的经验公式，得到一个燃油闪点温度随飞机飞行高度变化的表达式；

步骤3，将步骤2中得到的燃油闪点温度随飞机飞行高度变化的表达式代入燃油的燃烧上限和燃烧下限的表达式中，得出燃油燃烧温度上下限随飞机飞行高度变化的表达式；其中，燃烧温度上下限是指以温度为横坐标，高度为纵坐标，不同高度下液体燃油发生燃烧的温度上限和下限所形成的一条边界线，液体燃油只在这个范围内才能发生燃烧；

步骤4，将步骤1中飞机飞行剖面图的表达式分别代入步骤3中燃油的燃烧温度上限和燃烧温度下限随飞机飞行高度变化的表达式中，则输出燃烧温度上下限随飞机飞行剖面变化的关系图；判断燃油温度是否在燃烧温度上下限内，如果是，则燃烧可能发生，进入步骤5，如果否，则不会发生燃烧；

步骤5，分别分析温度、压力、高度和燃油成分对于燃油燃烧极限的影响关系；分别计算出燃油燃烧极限上限和下限；

步骤6，计算出燃油的极限氧浓度；其中，极限氧浓度LOC是满足火焰传播的最小氧气浓度，当氧气浓度小于LOC时，化学反应不能产生足够的热量用于加热混合气体进而影响燃烧的传播；极限氧浓度的取值取决于惰化气体的种类；

步骤7，根据如上步骤4、步骤5和步骤6的结果绘制出燃烧三角图，并在图中标记出燃烧区域，作为判定干舱燃烧的判据。

本发明中的碰撞火花分析、油箱穿透分析、燃油泄漏分析、液体燃油蒸发分析和干舱起火判据分析可作为高速金属碎片穿透情况下油箱附近干舱燃烧的数学模型；燃油燃烧温度上下限、燃烧极限和极限氧浓度可作为判断干舱燃烧的判据，燃烧三角图中的燃烧区域表示了干舱燃烧情况下所有可能的油气/氧气混合。

本发明的有益效果是建立的数学模型完整地描述了在高速金属碎片撞击下油箱附近干舱燃烧的数学过程；燃烧判据可准确判断不同飞行高度下油箱附近干舱燃烧的条件；燃油燃烧温度上下限和燃烧三角型的表现形式简洁直观。本发明建立了一套油箱附近干舱起火和持续燃烧判据分析方法，可用于由飞机发动机结构损坏所产生的高速金属破片撞击油箱条件下附近干舱燃烧的情形分析，可为干舱防燃抑爆措施的采取提供理论和数据支持，有利于减少飞机燃烧爆炸发生的概率，提高飞机的生存能力；同时也可以用于摩托车、汽车和轮船等交通工具的油箱在遭受高速金属碎片撞击后发生燃烧的判定。

附图说明

图1是高速金属碎片穿透条件下干舱起火流程图。

图2是干舱燃烧示意图。

图3是燃烧特性图。

图4是燃烧判据分析流程图。

图5是飞机典型飞行剖面。

图6是纯燃油C₁₀H₂₂的闪点与高度示意图。

图7是纯燃油C₁₀H₂₂的饱和蒸汽压曲线图。

图8是纯燃油C₁₀H₂₂燃烧温度上下限图。

图9是纯燃油C₁₀H₂₂燃烧温度上下限随飞机飞行剖面变化图。

图10是纯燃油C₁₀H₂₂燃烧极限与温度关系图。

图11是纯燃油C₁₀H₂₂燃烧极限与压力关系图。

图12是纯燃油C₁₀H₂₂燃烧极限与高度关系图。

图13是纯燃油C₁₀H₂₂的燃烧三角图。

图14是乙醇和C₁₀H₂₂混合燃油燃烧三角形图。

图15是3000m海拔高度下乙醇和C₁₀H₂₂混合燃油燃烧三角图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本实施例涉及一种不同飞行高度下油箱附近干舱持续燃烧判据的定量分析方法。

本实施例将高速金属碎片穿透条件下油箱附近干舱起火过程简化为六个阶段，如图1和图2所示，其中：

阶段1，高速金属碎片撞击油箱，形成碰撞火花，也即形成干舱点火源；点火源的形成主要是因为发动机叶片结构失效时产生了高速金属破片，破片在击穿飞机油箱壁的过程中与油箱壁摩擦，从破片的金属表面飞溅出的金属颗粒具有很高的温度，部分金属颗粒如铝、镁、钛等非常容易发生氧化反应，温度进一步增加可高达3000摄氏度，是构成碰撞火花形成的主要原因。

阶段2，判断高速金属碎片是否穿透油箱壁；采用JTCG/ME穿透方程进行油箱穿透及穿透后金属碎片速度的变化，主要计算参数有两个，分别是保护弹道极限速度V₅₀和金属碎片残余速度V_r；如果金属碎片撞击油箱壁时的速度V≥V₅₀，则认为油箱被穿透，反之如果V<V₅₀，则认为油箱没有穿透；

$V_{50}=C_{bf}{\left(\frac{A_{pf}{\mathrm{\&rho;}}_{f}H}{W}\right)}^{b_f}{\mathrm{sec\&theta;}}^h{\left(\frac{A_{pf}{\mathrm{\&rho;}}_{f}H}{W_0}\right)}^f---\left(1\right)$

$V_r=\sqrt{V^2-V_{50}^2/(1+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_f{A}_{pf}H}{Wcos\mathrm{\&theta;}})}---\left(2\right)$

式中，b_f、C_bf、h、f：弹道极限常数；

ρ_f：金属碎片材料密度；

H：飞机油箱壁厚度；

A_pf：金属碎片的暴露面积；

W：金属碎片质量，W₀＝6.48g为参考质量；

θ：金属碎片的撞击方向与飞机蒙皮面元法线的夹角，当金属碎片垂直撞击飞机蒙皮时，θ＝0；

如果油箱穿透判断结果为否，则干舱不会起火；如果为是，则进入阶段3；

阶段3，油箱中燃油通过油箱壁穿孔泄露进入附近的干舱；燃油泄露进入附近干舱过程中主要考虑的计算参数为燃油泄露质量流速燃油泄露质量流速主要受流量系数C_D的影响，在不考虑气穴现象的影响下，采用Nakayama经验公式进行流量系数的计算，如下式所示

$C_D=\frac{{\mathrm{Re}}^{5/6}}{17.11l_0/d_0+1.65{\mathrm{Re}}^{0.8}}---\left(3\right)$

式中，l₀/d₀：油箱壁穿孔长细比，l₀为油箱壁厚度，d₀为穿孔直径；

Re：雷诺数；

故燃油泄露质量流速得表达式如下所示：

${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_L=\frac{A_0{\left(2{\mathrm{\&rho;}}_L{\mathrm{\&Delta;P}}_L\right)}^{0.5}{\mathrm{Re}}^{5/6}}{17.11l_0/d_0+1.65{\mathrm{Re}}^{0.8}}---\left(4\right)$

式中，A₀：油箱壁穿孔截面积；

ρ_L：燃油流体密度；

ΔP_L：油箱壁穿孔内外压力差；

阶段4，干舱内燃油蒸发；液体燃油并不能引起燃烧的发生，液体燃油蒸发所产生的油气是引起干舱燃烧的主要原因；燃油蒸发过程中所计算的主要参数是燃油蒸发通量其表达式如下所示

${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_g^{\&prime;\&prime;}=\frac{h_c}{c_g}\frac{M_g}{M_{mix}}{e}^{-(h_{fg}{M}_g/R)(1/T_s-1/T_b)}---\left(5\right)$

式中，h_c：传热系数；

c_g：混合气体常压比热；

M_g：油气摩尔质量；

M_mix：混合气体的摩尔质量；

h_fg：液体燃油蒸发热；

R：气体常数；

T_s：液体表面温度；

T_b：沸点温度；

阶段5，干舱燃烧判据分析；在任一温度和压力条件时，当干舱内气体浓度达到燃烧极限下限时，油气发生起火并燃烧；图3中的指数曲线表示可燃液体的饱和蒸汽压；从图3中可以看出，通过燃烧极限上限(UFL)和燃烧极限下限(LFL)将整个区域划分为可燃烧区域和不可燃烧区域，当干舱内气体浓度处于燃烧极限上限和下限之间时，燃烧就可能发生，即进入阶段6；当干舱内气体浓度处于燃烧极限上限和下限之外时，燃烧不可能发生；

阶段6，干舱起火并燃烧。

本发明中，阶段5中干舱内燃油持续燃烧判据的确定可分为三个部分7个步骤：

步骤1，输出飞机飞行剖面图；图5给出了一个典型飞行剖面图，飞机地面停留20分钟进行燃油补给，之后以0.5km/min的速度进行爬升，当飞机上升到10km高空时，进行了20分钟的巡航飞行，然后又以0.25km/min的速度进行返航下降，并在地面停留20分钟，其飞行剖面表达式如下

$Alt=\left\{\begin{array}{cc}0,& 0\&le;t<2\min \\ 500(t-20),& 2\&le;t<40\min \\ 10000,& 40\&le;t<60\min \\ 10000-250(t-60),& 60\&le;t<100\min \\ 0,& 100\&le;t<120\min \end{array}\right.$

式中，Alt：飞机飞行高度，单位是m；

t：时间，单位是min；

步骤2，从燃油闪点温度的经验公式，得到一个燃油闪点温度随飞机飞行高度变化的表达式；燃油的闪点温度是描述可燃液体燃烧和爆炸发生的一个主要参数，计算过程分纯燃油和混合燃油两种情况进行分析，并最终给出不同海拔高度下燃油闪点的表达式；

情况一，纯燃油闪点的计算可通过Satyanarayana和Rao的经验公式进行描述，表达式如下：

$T_f=a+\frac{b{(c/T_b)}^2{e}^{-c/T_b}}{{(1-e^{-c/T_b})}^2}---\left(6\right)$

式中，T_f：闪点温度；

T_b：沸点温度；

a、b、c：常数，部分材料的a、b、c值如表1所示

表1部分材料的a、b、c值

名称	a	b	c
				碳氢化合物	225.1	537.6	2217
酒精类	230.8	390.5	1780
				胺类	222.4	416.6	1900
酸类	323.2	600.1	2970
				乙醚类	275.9	700.0	2879
硫磺	238.0	577.9	2297
				酯类	260.8	449.2	2217
酮类	260.5	296.0	1908
				卤素类	262.1	414.0	2154
醛类	264.5	293.0	1970
				含磷类	201.7	416.1	1666
含氮类	185.7	432.0	1645

其中，沸点与压力的关系式如下：

$ln\frac{p}{p_0}=-T_0(4.4+{\mathrm{lnT}}_0)(\frac{1}{T_b}-\frac{1}{T_0})---\left(7\right)$

式中，p：环境压力

p₀：标准大气压；

T₀：标准大气压下的沸点温度；

海拔高度与环境压力的关系式如下：

$p=101325\&times;{(\frac{Alt}{44343.34}+1)}^{-5.2561}---\left(8\right)$

将公式7和公式8代入公式6中可得燃油闪点温度随海拔高度的变化关系式如下：

$T_f=a+\frac{b{\left(c\right(1-\frac{11.5261-5.2561\ln (\frac{Alt}{145450}+1)-{\mathrm{lnp}}_0}{4.4+{\mathrm{lnT}}_0})/T_0)}^2{e}^{-c(1-\frac{11.5261-5.2561\ln (\frac{ALt}{145450}+1)-{\mathrm{lnp}}_0}{4.4+{\mathrm{lnT}}_0})/T_0}}{{(1-e^{c-(1-\frac{11.5261-5.2561ln(\frac{Alt}{145450}+1)-{\mathrm{lnp}}_0}{4.4+{\mathrm{lnT}}_0})/T_0})}^2}---\left(9\right)$

本实施例中标准大气压p₀＝100kPa下，纯燃油C₁₀H₂₂的沸点是T₀＝174.0℃，依照公式9可得纯燃油C₁₀H₂₂的闪点随高度变化的关系图，如图6所示；

情况二，混合物闪点的确定；如果仅有一种成分是可燃的且该可燃成分的闪点是已知的，那么多组分混合物的闪点也是可以确定的，该情形下当混合物中可燃物的油气压力与纯可燃物在闪点温度下的油气压力相同时所对应的温度即为混合物的闪点温度，利用安托因方程如下式，可计算油气压力和温度的变化关系:

${\mathrm{logp}}^0=A-\frac{B}{T+C}---\left(10\right)$

式中：p⁰：饱和蒸汽压，

A、B、C：安托因常数；

T：油气温度。

本实施例中C10H22的安托因常数，A＝7.31509、B＝1705.6、C＝212.59，闪点温度是46.1℃，该温度下它的油气压力是5.27mmHg，当容器中含90％重量的C10H22和10％重量的水时，此时的闪点温度可通过如下步骤计算所得：

首先确定每种组分的摩尔分数，假定总重为100kg，则有：

名称	质量	摩尔质量	摩尔	摩尔系数
					H2O	10	18	0.5556	0.471
C10H22	90	144	0.625	0.529

利用Raoult定律计算纯C10H22的油气压力psat；

p＝xp^sat，p^sat＝p/x＝5.27/0.529＝9.96mmHg

其中，p为环境压力，x为摩尔系数。

利用安托因方程，如公式10所示，计算油气压力和温度的变化关系，如图7所示；最终可得到混合物的闪点温度是57.4℃，即135.4°F；

如果混合物中可燃物并非单一，需通过实验进行混合物闪点确定，表2中给出了部分航空用燃油的闪点；

表2部分航空燃油闪点

燃油类型	闪点温度(°)6 -->
		JP-4	-20
JP-8	100
		Jet A-1	100
Jet A	100
		JP-5	140

步骤3，输出燃油燃烧温度上下限随飞机飞行高度变化的表达式；主要计算干舱内的液体燃油可发生燃烧的温度范围；燃烧温度上下限的计算可通过美国FAA出版的运输类飞机燃烧减缩规则中燃油燃烧温度上下限表达式进行描述，如下所示：

$T_{LFL}=(T_f-10)-\frac{Alt}{246.3}---\left(11\right)$

$T_{UFL}=(T_f+63.5)-\frac{Alt}{156.1}---\left(12\right)$

式中，T_LFL：燃烧极限下限温度；

T_UFL：燃烧极限上限温度；

本实施例中结合步骤2中的燃油闪点温度分析，将公式9代入公式11和公式12中可得燃油燃烧温度上下限和飞机飞行高度之间的变化关系图，如图8所示，其中飞机油箱中燃油类型定为纯燃油C₁₀H₂₂；

步骤4，将步骤1中飞机飞行剖面图的表达式分别代入步骤3中燃油的燃烧温度上限和燃烧温度下限随飞机飞行高度变化的表达式中，则输出燃烧温度上下限随飞机飞行剖面变化的关系图；

本实施例中将步骤1中的飞机飞行剖面分段函数和公式9代入公式11和公式12，可得燃油燃烧温度上下限和飞机飞行剖面之间的关系图，如图9所示，其中飞机油箱中燃油类型为纯燃油C₁₀H₂₂；

判断燃油温度是否在燃烧温度上下限内，如果是，则燃烧可能发生，进入步骤5，如果否，则不会发生燃烧；

步骤5，燃烧极限分析；干舱内燃油燃烧极限的分析可分为四个方面：第一步，分析环境温度对燃烧极限的影响；第二步，分析环境压力对燃烧极限的影响，第三步，分析海拔高度对燃烧极限的影响，第四步，混合物燃油燃烧极限的确定；

第一步，环境温度对燃烧极限的影响；环境温度对燃烧极限的影响较小，其计算表达式如下所示

$\frac{{\mathrm{LFL}}_T}{{\mathrm{LFL}}_{25}}=1-0.000784\&times;(T-25)---\left(13\right)$

$\frac{{\mathrm{UFL}}_T}{{\mathrm{UFL}}_{25}}=1+0.000721\&times;(T-25)---\left(14\right)$

式中，LFL_T：温度T下的燃烧极限下限，

UFL_T：温度T下的燃烧极限上限，

LFL₂₅：标准大气、室温条件(25℃)下的燃烧极限下限，

UFL₂₅：标准大气、室温条件(25℃)下的燃烧极限上限。

本实施例中图10中给出了步骤1所列飞行条件下温度对燃油燃烧极限的影响，其中假定飞机油箱中燃油类型假定为纯燃油C₁₀H₂₂；从图10中可以看出随着温度的变化，燃烧极限几乎保持不变，故在工程应用中可忽略温度对燃烧极限的影响；

第二步，环境、压力对燃烧极限的影响；环境压力对燃烧极限下限的影响较小，对燃烧极限上限的影响较为显著，其表达式如下式所示；

LFL_P＝LFL₂₅-0.71×(logP+1)(15)

UFL_P＝UFL₂₅+20.6×(logP+1)(16)

式中，P：绝对压力(Mpa)，

LFL_p：压力P下的燃烧极限下限，

UFL_p：压力P下的燃烧极限上限；

本实施例中图11中给出了步骤1所列飞行条件下环境压力对燃油燃烧极限的影响，其中飞机油箱中燃油类型为纯燃油C₁₀H₂₂；从图11中可以看出环境压力对燃烧极限下限的影响较小，随着压力的增加燃烧极限上限呈线性增加；

第三步，海拔高度对燃烧极限的影响；将公式8代入公式15和公式16中可得燃烧极限随海拔高度变化的关系式：

${\mathrm{LFL}}_{Alt}={\mathrm{LFL}}_{25}-0.71\&times;log{(\frac{Alt}{44343.34}+1)}^{-5.2561}---\left(17\right)$

${\mathrm{UFL}}_{Alt}={\mathrm{UFL}}_{25}+20.6\&times;log{(\frac{Alt}{44343.34}+1)}^{-5.2561}---\left(18\right)$

式中，LFL_Alt：某海拔下燃烧极限下限，

UFL_Alt：某海拔下燃烧极限上限；

本实施例中通过公式17和公式18建立纯燃油C₁₀H₂₂燃烧极限随海拔高度的变化曲线，如图12所示，图12中显示随海拔高度的增加燃烧极限下限几乎不变，燃烧极限上限呈线性降低，当海拔高度超过4.4km时，C₁₀H₂₂始终处于不可燃烧状态；

第四步，混合物燃油燃烧极限的确定；

混合物燃油的燃烧极限可通过LeChatelier方程计算得到，如下所示

$\begin{array}{cc}{\mathrm{LFL}}_{mix}=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{y_i}{{\mathrm{LFL}}_i}};& {\mathrm{UFL}}_{mix}=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{y_i}{{\mathrm{UFL}}_i}}\end{array}---\left(19\right)$

式中，LFL_mix：混合燃油燃烧极限下限，

UFL_mix：混合燃油燃烧极限上限；

LFL_i：油气/空气混合物中组分i的燃烧极限下限；

UFL_i：油气/空气混合物中组分i的燃烧极限上限；

y_i：组分i的摩尔系数；

n：可燃组分的数目。

步骤6，极限氧浓度确定；燃烧极限主要考虑空气中油气的的含量，然而氧气也是决定燃烧发生的一个主要参数，理论上存在一个满足火焰传播的最小氧气浓度，即极限氧浓度LOC；当小于极限氧浓度时，化学反应不能产生足够的热量用于加热混合气体进而影响了燃烧的传播；极限氧浓度的取值取决于惰化气体的种类，表3中列出了部分可燃材料在惰化气体N₂和CO₂时的LOC；

表3部分可燃材料的极限氧浓度

气体	N2	CO2	气体	N2	CO2
						甲烷	12	14.5	煤油	10(150℃)	13(150℃)
乙烷	11	13.5	JP-1	10.5(150℃)	14(150℃)
						丙烷	11.5	14.5	JP-3	12	14.5
丁烷	12	14.5	JP-4	11.5	14.5
						异丁烷	12	15	天然气	12	14.5
戊烷	12	14.5	甲苯	9.5	-
						异戊烷	12	14.5	苯乙烯	9.0	-
己烷	12	14.5	乙苯	9.0	-
						庚烷	11.5	14.5	甲基苯乙烯	9.0	-
乙烯	10	11.5	二乙基苯	8.5	-
						丙烯	11.5	14	环丙烷	11.5	14
丁烯	11.5	14	甲酸异丁酯	12.5	15
						异丁烯	12	15	甲醇	10	12
丁二烯	10.5	13	甲基酸	11	13.5
						苯	11.4	14	3甲基丁烯	11.5	14

极限氧浓度的单位为氧气占总混合物的摩尔百分比；当LOC没有实验数据可利用时，LOC可通过LFL和燃烧反应近似确定，燃烧化学反应表达式如下；

C_dH_e+z·O₂→e/2·H₂O+d·CO₂(20)

式中，z：氧气的化学反应系数；

C_dH_e：大部分燃油都是碳氢化合物，d和e分别代表每分子化合物中碳原子和氢原子的数目。

极限氧浓度计算表达式：

LOC≈LFL×z(21)

步骤7，根据步骤4、步骤5和步骤6的结果绘制燃烧三角图，并在图中标记出燃烧区域，作为判定干舱燃烧的燃烧判据。

在确定了燃油的燃烧极限以及极限氧浓度后，通常使用燃烧三角图描述油气的可燃性区域；下面分别绘制了纯燃油的燃烧三角图、混合燃油燃烧三角图和海拔3000处两种燃烧材料的混合燃油燃烧三角图；

1、纯燃油C₁₀H₂₂海平面条件下的燃烧三角图；

燃烧三角图中燃烧区域绘制流程如下：

(1)绘制空气线，氧气与氮气的含量体积为21：79，如图13中空气线所示，并在空气线上标示出燃烧极限上限UFL和燃烧极限下限LFL；

(2)绘制极限氧浓度线，如图13中LOC线所示；

(3)绘制化学反应线，如图13中虚线所示；

(4)绘制燃烧区，如图13中阴影区域所示；

本实施例中图13中给出了C₁₀H₂₂在标准大气压、室温条件(25℃)下的燃烧三角图，图中阴影区域表示易发生燃烧的混合组分；C₁₀H₂₂气体浓度、氧气浓度和惰化气体(氮气)浓度(体积百分数)分别用三个轴线表示，三角形的三个顶点分别代表了100％C₁₀H₂₂气体、100％氧气以及100％氮气；刻度轴线上的方向标记显示每个刻度贯穿图时的方向，据此，图13中A点表示混合气体的成分为60％的C₁₀H₂₂气体，20％的氧气和20％的氮气；三角形中的空气线表示空气和任一燃油气体浓度组成的混合气体的组合，图13中空气线的上端点表示混合气体有0％的空气和100％的C₁₀H₂₂气体，下端点表示混合气体为100％的空气和0％的C₁₀H₂₂气体，在空气线上分别标出燃烧极限上限UFL和燃烧极限下限LFL；化学反应线表示了化学反应过程中所有可能的燃油与氧气的组合，燃烧化学反应过程可通过公式20表述，化学反应线在氧气轴线上的交点取值为

$100\left(\frac{z}{1+z}\right)---\left(22\right)$

在氧气线轴上取根据公式22计算出的交点，在燃油轴上取零点，取两个交点为端点绘出化学反应线。以LOC线与化学反应线的交点为一个端点，空气线上燃烧极限上限UFL和燃烧极限下限LFL分别为另外一个端点做连线并延长至氧气轴线，两条线之间的区域就是燃烧区域。

2、多组分燃油燃烧三角图；当燃油有多种易燃材料组成时，首先通过公式19获得燃油的燃烧极限上限和燃烧极限下限；混合燃油氧气的化学反应系数z_mix的取值如下：

$z_{mix}=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{y}_i{z}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{y}_i---\left(23\right)$

式中，y_i：组分i的摩尔系数，

z_i：组分i的氧气的化学反应系数，

n：可燃组分的数目；

混合燃油极限氧浓度LOC_mix的计算表达式如下：

LOC_mix≈LFL_mix×z_mix(24)

本实施例中图14中给出了由乙醇和C₁₀H₂₂通过5：2的比例混合组成的混合燃油，则该类型燃油在标准大气压、室温条件(25℃)下的燃烧区域可通过下列步骤获得；表4列出了乙醇和C₁₀H₂₂的部分参数；

表4乙醇和C₁₀H₂₂的燃烧参数(1atm,25℃)

通过公式19、公式23、公式22和公式24分别可得：

$\begin{array}{ccccc}{\mathrm{LFL}}_{mix}=1.9;& {\mathrm{UFL}}_{mix}=11.0;& z_{mix}=6.57;& 100\left(\frac{z_{mix}}{1+z_{mix}}\right)=86.8;& {\mathrm{LOC}}_{mix}\&ap;12.49\end{array}$

据此可获得如图14混合燃油的燃烧三角图；图中阴影区域表示乙醇和C₁₀H₂₂通过5：2组成的混合燃油在标准大气压、室温条件(25℃)下燃烧区域；

3、不同海拔条件下燃烧三角图

当飞机油箱内燃油有多种可燃组分组成，且飞机位于某一海拔高度时，此时能引起干舱内燃烧的油气/氧气浓度或体积比变化范围，即燃烧极限三角图，可通过如下步骤得出；

1)依照公式17和公式18分别计算出各个燃油组分在该海拔高度处的燃烧极限；

2)依照公式19计算混合燃油的燃烧极限；

3)依照公式23和公式24计算混合燃油在该海拔高度下的氧气的化学反应系数和极限氧浓度；

4)绘制燃烧极限三角图；

本实施例中图15中给出了3000m飞行高度条件下，由乙醇和C₁₀H₂₂通过5：2的比例混合组成的混合燃油，表5列出了乙醇和C₁₀H₂₂的燃烧参数；

表5乙醇和C₁₀H₂₂的燃烧参数

通过公式23、公式22和公式24分别可得：

$\begin{array}{ccc}{z}_{mix}=6.57;& 100\left(\frac{z_{mix}}{1+z_{mix}}\right)=86.8;& {\mathrm{LOC}}_{mix}\&ap;13.8\end{array}$

据此可获得如图15混合燃油的燃烧三角图；图中阴影区域表示由乙醇和C₁₀H₂₂通过5：2组成的混合燃油在3000m高度下干舱内燃油的燃烧区域。如果气体组分位于燃烧区域，则会发生燃烧，否则不会燃烧。

本实施例中，通过阶段1的碰撞火花分析、阶段2的油箱穿透分析、阶段3的燃油泄漏分析、阶段4的燃油蒸发分析和阶段5的燃烧判据分析，建立了高速金属碎片撞击并穿透条件下油箱附近干舱引燃的数学模型；通过阶段5中步骤1、步骤2、步骤3和步骤4的燃油燃烧温度上下限分析以及步骤5的燃烧极限分析和步骤6的极限氧浓度分析，确定了高速金属碎片撞击并穿透条件下干舱引燃和持续燃烧的判据，并最终在阶段5步骤7的燃烧三角图显示了不同飞行高度下，所有可能的引起干舱燃烧的油气/氧气混合比例，用于作为该飞行高度下判断干舱燃烧的条件。

Claims (1)

1.一种金属碎片撞击下油箱附近干舱燃烧判据分析方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，根据飞行任务输出飞机飞行剖面图，得到一个飞机飞行高度随时间变化的表达式；

步骤2，从燃油闪点温度的经验公式，得到一个燃油闪点温度随飞机飞行高度变化的表达式；

步骤3，将步骤2中得到的燃油闪点温度随飞机飞行高度变化的表达式代入燃油的燃烧温度上限和燃烧温度下限的表达式中，得出燃油燃烧温度上下限随飞机飞行高度变化的表达式；其中，燃烧温度上下限是指以温度为横坐标，高度为纵坐标，不同高度下液体燃油发生燃烧的温度上限和下限所形成的一条边界线，液体燃油只在这个范围内才能发生燃烧；

步骤4，将步骤1中飞机飞行剖面图的表达式分别代入步骤3中燃油的燃烧温度上限和燃烧温度下限随飞机飞行高度变化的表达式中，则输出燃烧温度上下限随飞机飞行剖面变化的关系图；判断燃油温度是否在燃烧温度上下限内，如果是，则燃烧可能发生，进入步骤5，如果否，则不会发生燃烧；

步骤5，分别分析温度、压力、高度和燃油成分对于燃油燃烧极限的影响关系；分别计算出燃油燃烧极限上限和下限；

步骤6，计算出燃油的极限氧浓度；其中，极限氧浓度LOC是满足火焰传播的最小氧气浓度，当氧气浓度小于LOC时，化学反应不能产生足够的热量用于加热混合气体进而影响燃烧的传播；极限氧浓度的取值取决于惰化气体的种类；

步骤7，根据如上步骤4、步骤5和步骤6的结果绘制出燃烧三角图，并在图中标记出燃烧区域，作为判定干舱燃烧的判据。