CN113484364B - 一种航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于飞机燃油箱防火抑爆技术领域,特别涉及一种航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法。本申请通过分析航空煤油的主要组分及混合比例,获得多组分替代燃料模型,针对其中的每一项单质成分,通过绝热火焰温度分析法获得烃类单质的可燃下限,运用LeChatelier定律计算航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃下限,由可燃浓度下限预测可燃浓度上限,在此基础上融合Zabetaki和Melhem对碳氢燃料的研究成果,修正航空煤油温度和存储压力的影响,形成航空煤油可燃物组分的临界安全浓度,根据航空煤油物性和飞行状态,实时预测航空煤油蒸气可燃浓度极限,能够替代基于Jet A航空煤油建立的可燃极限模型,弥补引用美国标准理论的不足和短板。
Description
技术领域
本申请属于飞机燃油箱防火抑爆技术领域,特别涉及一种航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法。
背景技术
飞机燃油储箱发生燃烧、爆炸后果是灾难性的,会彻底破坏飞机结构,加速火焰扩散和传播,加快热量释放速率,正向激励效应强化链式反应,持续到航空煤油或火焰周围的氧耗尽。航空煤油源于石油,由不同比例的多种碳氢化合物混合而成,在燃油箱中小分子烃类组分最先挥发,扩散到空气中形成混合气体,当其处于可燃状态时,发生静电放电、电缆磨损短路、飞机遭遇雷击或敌方射弹袭击,混合气体就会被引燃。
采用防火抑爆措施维持航空煤油蒸气的不可燃状态,消除燃油箱发生燃烧、爆炸风险,现阶段航空企业普遍参考FAA公布的Jet A航空煤油可燃极限模型和FAR25部适航条款,作为指导飞机燃油箱防火抑爆系统设计依据。使用与Jet A物性不同的航空煤油、运行在与民用飞机不同的飞行剖面状态,仍然引用美国民航业的标准和规范是存在理论缺陷的。而国内缺乏相关依据和方法,亟待形成新的航空煤油可燃物组分临界安全浓度预测方法,判断复杂飞行环境因素下飞机燃油箱可燃状态,进而指导燃油箱防火抑爆系统设计。
因此,希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是:
一种航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,包括:
步骤一、获取航空煤油的成分以及成分中各组分的体积分数比例;
步骤二、从各组分中选取一个作为参考组分,获取在参考温度和参考压力条件下参考组分的可燃浓度下限值;
步骤三、根据绝热火焰温度分析法获得在参考温度和参考压力条件下航空煤油中其他组分的可燃浓度下限值;
步骤四、根据LeChatelier定律计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,并根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值;
步骤五、根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值,计算在预定温度和预定压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值;
步骤六、根据在预定温度和预定压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值,预测航空煤油可燃物组分的临界安全浓度。
在本申请的至少一个实施例中,所述航空煤油中的每个组分包括分子式相同的一个或多个单质。
在本申请的至少一个实施例中,步骤二中,所述从各组分中选取一个作为参考组分,获取在参考温度和参考压力条件下参考组分的可燃浓度下限值包括:
从各组分中选取甲烷CH4作为参考组分;
获取在25℃、1bar条件下甲烷CH4的可燃浓度下限值α1%。
在本申请的至少一个实施例中,步骤三中,所述根据绝热火焰温度分析法获得在参考温度和参考压力条件下航空煤油中其他组分的可燃浓度下限值包括:
根据富氧环境下烃类物质绝热火焰温度相似性原则,得到航空煤油中组分i的绝热火焰温度:
计算得到组分i在25℃、1bar条件下的可燃浓度下限值:
其中,CxiHyi为组分i的分子式。
在本申请的至少一个实施例中,步骤二中,所述从各组分中选取一个作为参考组分,获取在参考温度和参考压力条件下参考组分的可燃浓度下限值包括:
从各组分中选取乙烯C2H4作为参考组分;
获取在25℃、1bar条件下乙烯C2H4的可燃浓度下限值α2%。
在本申请的至少一个实施例中,步骤三中,所述根据绝热火焰温度分析法获得在参考温度和参考压力条件下航空煤油中其他组分的可燃浓度下限值包括:
根据富氧环境下烃类物质绝热火焰温度相似性原则,得到航空煤油中组分i的绝热火焰温度:
计算得到组分i在25℃、1bar条件下的可燃浓度下限值:
其中,CxiHyi为组分i的分子式。
在本申请的至少一个实施例中,步骤四中,所述根据LeChatelier定律计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,并根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值包括:
根据LeChatelier定律计算在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值:
其中,β1、β2…βn为RP-X航空煤油中各组分的可燃浓度下限值,V1、V2…Vn为RP-X航空煤油中对应组分的体积分数比例;
根据下式计算在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值:
在本申请的至少一个实施例中,步骤五中,所述根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值,计算在预定温度和预定压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值包括:
根据在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,计算在预定温度T、1bar条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值:
以及,计算在预定温度T和预定压力P条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值:
即:
根据在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值,计算在预定温度T、1bar条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值:
以及,计算在预定温度T和预定压力P条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值:
即:
在本申请的至少一个实施例中,步骤六中,所述根据在预定温度和预定压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值,预测航空煤油可燃物组分的临界安全浓度包括:
获得飞机飞行过程中时刻t的航空煤油温度Tt和压力Pt;
计算RP-X航空煤油可燃物组分的临界安全浓度,包括:
在本申请的至少一个实施例中,还包括:
步骤七、计算出飞机飞行全剖面内所有离散时刻的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度,得到覆盖全剖面的燃油箱可燃状态控制边界数据集。
发明至少存在以下有益技术效果:
本申请的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,通过分析航空煤油的主要组分及混合比例,获得多组分替代燃料模型,针对其中的每一项单质成分,通过绝热火焰温度分析法获得烃类单质的可燃下限,运用LeChatelier定律计算航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃下限,由可燃浓度下限预测可燃浓度上限,在此基础上融合Zabetaki和Melhem对碳氢燃料的研究成果,修正航空煤油温度和存储压力的影响,形成航空煤油可燃物组分的临界安全浓度,根据航空煤油物性和飞行状态,实时预测航空煤油蒸气可燃浓度极限,能够替代基于Jet A航空煤油建立的可燃极限模型,弥补引用美国标准理论的不足和短板,解决了飞机燃油箱防火抑爆系统无设计依据的问题。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请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申请一部分实施例,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,旨在用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
下面结合附图1对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,包括以下步骤:
步骤一、获取航空煤油的成分以及成分中各组分的体积分数比例;
步骤二、从各组分中选取一个作为参考组分,获取在参考温度和参考压力条件下参考组分的可燃浓度下限值;
步骤三、根据绝热火焰温度分析法获得在参考温度和参考压力条件下航空煤油中其他组分的可燃浓度下限值;
步骤四、根据LeChatelier定律计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,并根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值;
步骤五、根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值,计算在预定温度和预定压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值;
步骤六、根据在预定温度和预定压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值,预测航空煤油可燃物组分的临界安全浓度。
在本申请的优选实施方案中,首先,获取航空煤油的成分以及成分中各组分的体积分数比例,其中,每个组分可以包括分子式相同的一个或多个单质。在本申请的一个实施方式中,某飞机采用牌号为RP-X的航空煤油,该油品优选采用A烷、B烯、C苯等一系列单质以特定比例混合替代,替代物与RP-X航空燃油的热值、饱和蒸汽压、闪点、最小点火能等关键性能指标相似。
表1
名称 | 分子式 | 体积百分比% |
A烷 | C<sub>x1</sub>H<sub>y1</sub> | V<sub>1</sub> |
B烯 | C<sub>x2</sub>H<sub>y2</sub> | V<sub>2</sub> |
C苯 | C<sub>x3</sub>H<sub>y3</sub> | V<sub>3</sub> |
…… | …… | …… |
N组分 | C<sub>xn</sub>H<sub>yn</sub> | V<sub>n</sub> |
在本申请的优选实施方案中,选取甲烷CH4或者乙烯C2H4等常见烃类单质作为参考标准。
具体的,在本申请的一个实施方式中,选取甲烷CH4作为参考组分,通过查阅公开的标准实验数据,获得在25℃、1bar条件下甲烷CH4的可燃浓度下限值α1%;
根据富氧环境下烃类物质绝热火焰温度相似性原则,得到航空煤油中组分i的绝热火焰温度:
计算得到组分i在25℃、1bar条件下的可燃浓度下限值:
其中,CxiHyi为组分i的分子式。
根据上述方式得到表1中各个组分的可燃浓度下限值。
在本申请的另一个实施方式中,选取乙烯C2H4作为参考组分,通过查阅公开的标准实验数据,获得在25℃、1bar条件下乙烯C2H4的可燃浓度下限值α2%;
根据富氧环境下烃类物质绝热火焰温度相似性原则,得到航空煤油中组分i的绝热火焰温度:
计算得到组分i在25℃、1bar条件下的可燃浓度下限值:
其中,CxiHyi为组分i的分子式。
根据上述方式得到表1中各个组分的可燃浓度下限值。
在本申请的优选实施方案中,在得到航空煤油中各组分的可燃浓度下限值后,根据LeChatelier定律计算在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值:
其中,β1、β2…βn为RP-X航空煤油中各组分的可燃浓度下限值,V1、V2…Vn为RP-X航空煤油中对应组分的体积分数比例;
在25℃、1bar条件下,碳氢燃料的可燃浓度上、下限满足以下关系,从而计算出在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值:
在本申请的优选实施方案中,在得到特定条件下的航空煤油的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值后,需要对温度以及压力进行修正。
具体包括,运用Zabetaki研究碳氢燃料的理论,航空煤油在不同温度下的可燃极限满足以下关系,从而计算得到在预定温度T、1bar条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值:
以及,运用Melhem研究碳氢燃料的理论,航空煤油在不同存储压力下的可燃极限满足以下关系,从而计算得到在预定温度T和预定压力P条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值:
即:
进一步,运用Zabetaki研究碳氢燃料的理论,航空煤油在不同温度下的可燃极限满足以下关系,从而计算得到在预定温度T、1bar条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值:
以及,运用Melhem研究碳氢燃料的理论,航空煤油在不同存储压力下的可燃极限满足以下关系,从而计算得到在预定温度T和预定压力P条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值:
即:
通过上述方式即可得到在任意温度T和任意压力P条件下航空煤油的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值的计算公式。在需要进行航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测时,仅需要获得飞机飞行过程中某时刻t的航空煤油温度Tt和压力Pt,代入上述计算公式,即可得到时刻t的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度。
本实施例中,计算得到RP-X航空煤油可燃物组分的临界安全浓度为:
有利的是,本实施例中,还包括步骤七、计算出飞机飞行全剖面内所有离散时刻的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度,得到覆盖全剖面的燃油箱可燃状态控制边界数据集。
本申请的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,以特定航空煤油主要成分及混合比例为基础,保证了方法的普遍适用性;引入烃类的绝热火焰温度相似原则,使得理论分析航空煤油主要成分的可燃极限得以实现;融合复杂成分的航空煤油模型替代方法、绝热火焰温度分析方法和LeChatelier定律,实现特定航空煤油的可燃浓度下限预测;引入Zabetaki研究碳氢燃料的成果,修正航空煤油温度对可燃浓度上、下限的影响,提高预测结果的准确性;引入Melhem研究碳氢燃料的成果,修正航空煤油存储压力对可燃浓度上、下限的影响,提高预测结果的准确性;通过开展飞行过程中不同时刻的航空煤油可燃物组分临界安全浓度预测,实现量化全剖面内不同温度、压力等环境因素影响下的飞机燃油箱可燃状态,从而指导飞行全程燃油箱防火抑爆的控制边界设计。
本申请的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,具有以下优点:
(1)快速获得较准确的可燃物临界安全浓度
本申请依托研究对象(特定航空煤油)的基本物性数据库,能够在较短的时间内获得航空煤油可燃蒸气浓度上、下限,快速支撑项目论证阶段的方案设计;本申请每一实施步骤中所采用的理论依据,均经过试验数据检验并得到行业认可,误差主要源自航空煤油替代燃料简化环节,通过严格把控替代燃料组分及混合比例,可以快速得到具有高复杂成分的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度。
(2)广泛适应不同产地与品类的航空煤油
CAAC和FAA指定的燃油箱可燃性评估方法,是采用温度表征航空煤油可燃极限,该计算模型是航空煤油闪点和油箱内气压高度的函数,是FAA采集美国及世界各个机场JetA、Jet A-1油样分析统计的结果,对于其他国家使用的不同品种航空煤油,FAA官方传达出对其中高挥发性成分的担忧。与直接引用适航条例不同,本申请从来自不同产地与品类的航空煤油基本物性研究开始,所有的分析与处理均基于该航空煤油的物性数据集,绝热火焰温度分析方法适用于以烃类为主要成分的航空煤油,形成的本方法适用范围更广。
(3)实时响应飞行过程中的环境因素
本申请融合了Zabetaki和Melhem对碳氢燃料的研究成果,以25℃参考温度条件为基准,修正航空煤油温度对可燃组分的临界浓度影响;以1个标准大气压(1.013×105Pa,即1bar)为参考压力条件基准,修正航空煤油存储压力对可燃组分的临界浓度影响。由此形成的航空煤油可燃物组分临界安全浓度预测方法包含温度和存储压力变量,可以反映飞机飞行过程中环境温度、气压高度变化对可燃物组分临界安全浓度的影响,具备预测特定飞行剖面内任一时刻燃油箱中可燃物临界安全浓度量值的能力。
(4)全面覆盖飞机全包线的可燃物控制需求
飞机设计初期确定的飞行包线明确了燃油箱防火抑爆系统工作环境变化范围,通过分析本方法指出的航空煤油可燃物组分临界安全浓度受温度、环境压力的影响规律,明确所使用航空煤油在全包线范围内最严苛的工作状态,采用本方法获得严苛状态下的航空煤油可燃物组分临界安全浓度,作为飞机燃油箱防火抑爆系统的设计能力边界,可以确保该款飞机全包线内燃油箱的不可燃状态。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请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申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,其特征在于,包括:
步骤一、获取航空煤油的成分以及成分中各组分的体积分数比例;
步骤二、从各组分中选取一个作为参考组分,获取在参考温度和参考压力条件下参考组分的可燃浓度下限值;
步骤三、根据绝热火焰温度分析法获得在参考温度和参考压力条件下航空煤油中其他组分的可燃浓度下限值;
步骤二中,所述从各组分中选取一个作为参考组分,获取在参考温度和参考压力条件下参考组分的可燃浓度下限值包括:
从各组分中选取甲烷CH4作为参考组分;
获取在25℃、1bar条件下甲烷CH4的可燃浓度下限值α1%;
步骤三中,所述根据绝热火焰温度分析法获得在参考温度和参考压力条件下航空煤油中其他组分的可燃浓度下限值包括:
根据富氧环境下烃类物质绝热火焰温度相似性原则,得到航空煤油中组分i的绝热火焰温度:
计算得到组分i在25℃、1bar条件下的可燃浓度下限值:
其中,CxiHyi为组分i的分子式;
或者,步骤二中,所述从各组分中选取一个作为参考组分,获取在参考温度和参考压力条件下参考组分的可燃浓度下限值包括:
从各组分中选取乙烯C2H4作为参考组分;
获取在25℃、1bar条件下乙烯C2H4的可燃浓度下限值α2%;
步骤三中,所述根据绝热火焰温度分析法获得在参考温度和参考压力条件下航空煤油中其他组分的可燃浓度下限值包括:
根据富氧环境下烃类物质绝热火焰温度相似性原则,得到航空煤油中组分i的绝热火焰温度:
计算得到组分i在25℃、1bar条件下的可燃浓度下限值:
其中,CxiHyi为组分i的分子式;
步骤四、根据LeChatelier定律计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,并根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值;
步骤五、根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值,计算在预定温度和预定压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值;
步骤六、根据在预定温度和预定压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值,预测航空煤油可燃物组分的临界安全浓度。
2.根据权利要求1所述的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,其特征在于,所述航空煤油中的每个组分包括分子式相同的一个或多个单质。
3.根据权利要求1所述的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,其特征在于,步骤四中,所述根据LeChatelier定律计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,并根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,计算在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值包括:
根据LeChatelier定律计算在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值:
其中,β1、β2…βn为RP-X航空煤油中各组分的可燃浓度下限值,V1、V2…Vn为RP-X航空煤油中对应组分的体积分数比例;
根据下式计算在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值:
4.根据权利要求3所述的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,其特征在于,步骤五中,所述根据在参考温度和参考压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值,计算在预定温度和预定压力条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值以及可燃浓度上限值包括:
根据在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值,计算在预定温度T、1bar条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值:
以及,计算在预定温度T和预定压力P条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度下限值:
即:
根据在25℃、1bar条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值,计算在预定温度T、1bar条件下航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值:
以及,计算在预定温度T和预定压力P条件下RP-X航空煤油蒸气与空气相互掺杂时的可燃浓度上限值:
即:
6.根据权利要求5所述的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度预测方法,其特征在于,还包括:
步骤七、计算出飞机飞行全剖面内所有离散时刻的航空煤油可燃物组分的临界安全浓度,得到覆盖全剖面的燃油箱可燃状态控制边界数据集。
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