CN107016183B

CN107016183B - 一种飞机火灾数值模拟计算方法

Info

Publication number: CN107016183B
Application number: CN201710203480.5A
Authority: CN
Inventors: 王凯; 李玉芳; 刘康
Original assignee: Xian Aircraft Design and Research Institute of AVIC
Current assignee: Xian Aircraft Design and Research Institute of AVIC
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: CN107016183A

Abstract

本发明涉及飞机安全性能设计，特别涉及一种飞机火灾数值模拟计算方法。数值模拟计算方法包括如下步骤：对飞机几何模型进行简化，并建立对应的数学模型；选取约束条件，其中，所述约束条件包括：着火点的位置；可燃物的种类、数量及分布；外部环境；对步骤一中的数学模型进行网格划分；根据步骤二和步骤三的结果，并通过湍流燃烧模型法、热辐射模型法以及蒸气云爆炸超压计算TNT当量法来进行仿真模拟，得到飞机发生火灾时的烟雾场、温度场及燃油蒸汽爆炸情况。本发明的飞机火灾数值模拟计算方法，模拟计算能够快速得到可靠地数据，对飞机火灾的影响及防护提出指导性意见，并且节约成本，还能避免危险及污染。

Description

一种飞机火灾数值模拟计算方法

技术领域

本发明涉及飞机安全性能设计，特别涉及一种飞机火灾数值模拟计算方法。

背景技术

考虑到飞机一旦发生火情，在无法有效灭火或者控制火情蔓延情况下会引起灾难性事故。因此，为了摸清飞机在不同状态、不同灭火条件下发生火灾的温度场分布等火情数据，为某些重要系统的高温防护提供设计输入，需开展飞机火灾情况分析研究。

目前的飞机火灾研究多为实验室试验。但是，该火灾试验只是针对飞机的部分区域(如发动机舱)，并没有做过整机火灾试验；另外，超大规模的火灾试验需要建造大型的试验场地以及完整飞机模型等相关设施，还需要大量的人员、时间，且危险性很大；再有，为得到真实的火情数据，需要进行多次复杂试验以作对比，实验难度大，条件苛刻。

发明内容

本发明的目的是提供了一种飞机火灾数值模拟计算方法，以至少解决现有飞机火灾研究方法中存在的至少一个问题。

本发明的技术方案是：

一种飞机火灾数值模拟计算方法，包括如下步骤：

步骤一、对飞机几何模型进行简化，并建立对应的数学模型；

步骤二、选取约束条件，其中，所述约束条件包括：

着火点的位置；

可燃物的种类、数量及分布；

外部环境；

步骤三、对步骤一中的数学模型进行网格划分；

步骤四、根据步骤二和步骤三的结果，并通过湍流燃烧模型法、热辐射模型法以及蒸气云爆炸超压计算TNT当量法来进行仿真模拟，得到飞机发生火灾时的烟雾场、温度场及燃油蒸汽爆炸情况。

可选的，在所述步骤一的飞机几何模型进行简化步骤中，是忽略机体内安装的管路、非金属元件以及辅助构件，并保持外部模型与飞机实物设计一致。

可选的，在所述步骤一中，所述几何模型包括：

机头、机身、机翼、左右发动机短舱、辅助动力装置舱、平尾以及垂尾；

由梁、长绗和肋构成的飞机机体结构，且外部包有蒙皮。

可选的，所述飞机机体结构和蒙皮均为铝合金。

可选的，所述步骤二中的着火点的位置分别是前油箱舱、后油箱舱、左发动机短舱、右发动机短舱、左机翼、右机翼和辅助动力装置舱；

所述步骤二中的可燃物为航空煤油RP-3，分布在机身及机翼各油箱内；

所述步骤二中的外部环境为常温、常压、风速为零的机场。

可选的，在所述步骤四中，还包括采用热解模型法对所述热辐射模型法得到的温度场数据进行校正。

发明效果：

本发明的飞机火灾数值模拟计算方法，模拟计算能够快速得到可靠地数据，对飞机火灾的影响及防护提出指导性意见，并且节约成本，还能避免危险及污染。

附图说明

图1是本发明直升机使用维修保障一体化系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1对本发明飞机火灾数值模拟计算方法做进一步详细说明。

本发明提供了一种飞机火灾数值模拟计算方法，可以包括如下步骤：

步骤一、对飞机几何模型进行简化，并建立对应的数学模型(其中包括长度、形状、材料等)。

飞机机体内部结构较多，形状复杂，在本优选实施例中，飞机几何模型可以包括：

机头、机身、机翼、左右发动机短舱、辅助动力装置舱、平尾以及垂尾，且辅助动力装置装在机身尾部。另外，飞机机体结构为铝合金，主要由梁、长绗和肋构成，外部包有蒙皮；其中梁、长绗和肋由不同规格的铝合金型材构成，蒙皮为不同厚度的铝合金板材。当然，在其他实施例中，也可以根据需要设置更多的几何模型，不再赘述

另外，对飞机几何模型可以根据需要进行适合的简化，本实施例中，是忽略机体内安装的管路、非金属元件以及辅助构件，并保持外部模型与飞机实物设计一致。

进一步，建立对应的数学模型时，需要具体的参数，例如长度、形状、材料等；本实施例中，飞机机头、机身可看成圆柱形，最大外径为Ф2.5m；左、右发动机短舱安装在机身中段，长度为12.5m，最大外径为Ф1.8m；机翼最大厚度为1.77m。

步骤二、选取约束条件，其中，约束条件包括：

2.1)、着火点的位置；本实施例中，根据飞机总体布局及各区域功能的不同，可将飞机可分为七个火区，分别是前油箱舱、后油箱舱、左发动机短舱、右发动机短舱、左机翼、右机翼和辅助动力装置舱。进一步，根据所划分的七个火区(参见图1中所示的1～7七个点)，每个火区的大小、燃烧物种类及分布，以及飞机日常使用维护经验，在每个火区选取一个着火点。

2.2)、可燃物的种类、数量及分布；本实施例中，飞机主要燃烧物为航空煤油RP-3，分布在机身及机翼各油箱内。

具体地，RP-3燃油(GB6537-2006)由烷烃-环烷烃、芳香烃和烯烃等组成；元素组成碳(C)：85.5％～86.6％，氢(H)：14.4％～15.5％；密度：0.778kg/m³(20℃)；闪点不低于38℃；露天燃烧温度：260℃～315℃；低燃烧热不小于42800kJ/kg；无烟火焰高度不小于25mm。

2.3)、外部环境；本实施例中，选取更贴合实际的场景，选常温、常压、风速为零的机场作为火灾发生地。

步骤三、对步骤一中的数学模型进行网格划分。

具体地，采用计算热物理中热过程的描述方程，对象空间依节点步长划分为多个细小网格。空间步长越细，模拟结果越精确，同时服务器的计算量会越大。若空间步长过小，则模拟结果误差增大，计算结果可信度降低。因此需要确定一个合理的网格尺寸来满足模拟计算要求。

网格步长尺寸应依火灾特征直径D*设定，特征火源直径其计算公式如下：

其中：

D*——火源特征直径，(m)；

Q——热释放速率，(kW)；

ρ∞——环境空气密度，(kg/m³)；

Cp——环境空气比热容，(kJ/kg·K)；

T∞——环境温度，(K)；

g——重力加速度，(m/s²)。

另外，根据本发明，当D*/d取值范围为4-16时，可获得较为满意的计算精度和计算耗时。根据本文设定的火源功率，火源特征D*采用大气环境参数计算，得到其计算值为7，计算得出网格尺寸在0.43-1.75之间，为了达到更高的计算精度，本项目的数值模型空间步长取0.1米，最终整个计算区域内总网格数大于175万。

4.1)、湍流燃烧模型法如下：

燃烧模型使用一种能够计算自然耗氧量并解析常数标量方程的综合方法对可燃物中任一部位气态物质的状态比例进行计算和分析。湍流燃烧模型可划分为混合组分燃烧模型和有限化学反应速度模型。混合组分燃烧模型的燃烧反应公式可简化为：

在模拟火灾场景中，火灾热效应通过混合组分燃烧模型求解，有限化学反应模型求解火灾中生成的烟雾和CO₂、CO、烟雾等气体的浓度。通常油品等碳氢化合物简化后的燃烧公式为：

其发生化学反应的速率为：

其中，v为化学反应系数；B为活化能反应指前因子；E为反应的活化能；a、b为反应量级；R为气体常数；T为绝对温度；[C_xH_y]为反应物的浓度；[O₂]为氧气浓度。

4.2)、热辐射模型法如下：

在热辐射的计算中，基于对无散射灰体气体的辐射传递方程(RadiationTransmittal Equation)进行修正后的有限容积法就是火灾动力学模拟软件使用的计算方法。在热辐射方程中，热辐射强度这个数值与波长有关，其求解运算方法与有限容积法相似。热辐射求解采用的无散射辐射传递方程为：

式中

为源项，

为热辐射强度矢量，

为吸收系数。

在火灾数值模拟中，为更好地减少光谱相依性的影响，将热辐射光谱进行细分并计算出第个细分波段的热辐射传递方程。波段的热辐射传递方程为：

式中In为第n个波段的热辐射强度，k_n为所在波段的吸收系数；

为波长λ的辐射强度；

为定值。

4.3)、蒸气云爆炸超压计算TNT当量法如下：

当燃油箱发生泄漏事故时，可燃物与空气混合，此时若达到爆炸极限，遇到火源便发生爆炸，在极短的时间内释放出大量的能量。爆炸是一种剧烈的物理及化学变化过程。燃油箱泄漏事故后果模型分多种，包括爆炸冲击波超压、火灾热辐射等。其中，爆炸冲击波超压破坏作用最强，危害最大，影响范围最广。

定量分析爆炸冲击波的伤害破坏作用，先要确定爆炸产生的冲击波超压与爆炸能量间的关系，进而分析不同爆炸情形下产生的能量及伤害破坏作用。

梯恩梯(TNT)当量法属于伤害(或破坏)范围评价法，是蒸气云和爆炸模拟方法中的典型模型，评价结果直观、可靠。其评价结果可用于危险分区，也可用于进一步计算伤害区域内的人员及其人员的伤害程度、破坏范围内物体损坏程度和直接经济损失。蒸气云的TNT当量公式：

式中：

蒸气云的TNT当量系数，取值范围为0.02-14.9％；

WTNT-蒸气云的TNT当量，kg；

Wf-蒸气云中燃料的总质量，kg；

Qf-燃料的燃烧值，kJ/kg；

QTNT-TNT的爆热，QTNT＝(4.12～4.69)×103kJ/kg。

蒸气云爆炸后引起冲击波作用，在一定范围内导致肺出血造成0.5的死亡概率。它的范围公式为：

计算TNT炸药爆炸的模拟比是计算实际TNT当量冲击波超压值的前提。

式中：

R-目标与爆炸中心距离，m；

R1000-目标与1000kgTNT爆炸中心的相当距离，m；

α_TNT1000-TNT炸药爆炸与1000kgTNT爆炸试验的模拟比。

爆炸冲击波超压的计算公式为：

Δp(R)＝Δp₁₀₀₀(R_1000/α_TNT1000)；

式中：

Δp-实际TNT当量的爆炸冲击超压，MPa；

Δp1000-1000kgTNT当量的爆炸冲击波差压，MPa。

进一步，本发明的飞机火灾数值模拟计算方法，在步骤四中，还包括采用热解模型法对所述热辐射模型法得到的温度场数据进行校正。其中，热解模型则采用木材热解模型。求解FDS偏微分方程组的核心算法是一种显式的预测-纠错的方法，时间和空间的精度为二阶。

本发明的飞机火灾数值模拟计算方法有益效果如下：

第一，节省时间。模拟计算在短时间内就能得到可靠地数据，对飞机火灾的影响及防护提出指导性意见。

第二，节约成本。模拟计算无需大型的试验场地、设备、整机模型以及相关试验人员，只需建立飞机数字模型、查阅相关资料、选取合适算法和几台计算机以及少量相关科研人员，就可以得出有效地结论。

第三，避免危险及污染。火灾试验室一种很危险的试验，燃烧的不可控性、产生的有毒气体、大量的热以及随时可能发生的爆炸，都会对现场设施及人员产生危害，并不可避免的会对环境造成污染。而模拟计算则完全避免了此类情况的发生。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种飞机火灾数值模拟计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤二、选取约束条件，其中，所述约束条件包括：

着火点的位置；

可燃物的种类、数量及分布；

外部环境；

步骤三、对步骤一中的数学模型进行网格划分；

步骤四、根据步骤二和步骤三的结果，并通过湍流燃烧模型法、热辐射模型法以及蒸气云爆炸超压计算TNT当量法来进行仿真模拟，得到飞机发生火灾时的烟雾场、温度场及燃油蒸汽爆炸情况；

在所述步骤一的飞机几何模型进行简化步骤中，是忽略机体内安装的管路、非金属元件以及辅助构件，并保持外部模型与飞机实物设计一致；

在所述步骤一中，所述几何模型包括：

由梁、长绗和肋构成的飞机机体结构，且外部包有蒙皮；

所述飞机机体结构和蒙皮均为铝合金；

所述步骤二中的着火点的位置分别是前油箱舱、后油箱舱、左发动机短舱、右发动机短舱、左机翼、右机翼和辅助动力装置舱；

所述步骤二中的外部环境为常温、常压、风速为零的机场。

2.根据权利要求1所述的飞机火灾数值模拟计算方法，其特征在于，在所述步骤四中，还包括采用热解模型法对所述热辐射模型法得到的温度场数据进行校正。