CN113884419B - 一种飞机机舱烟气分布实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开属于民航安全技术领域，具体涉及一种飞机机舱烟气分布实验装置及方法。本公开的实验装置，包括实验舱体、燃烧单元、测量及控制系统，可针对通风、空间受限的飞机机舱空间，开展不同压力、温度、通风环境条件下，飞机客舱、货舱中烟气及有毒有害气体扩散过程及分布状况实验研究，研究环境压力、温度、通风特性对于火灾等事故产生的有毒、有害气体、颗粒的运移特性的影响，可为飞机安全事故的预防与控制、事故调查测试提供数据支撑，也可为新装备的检验提供实验手段和研究环境。
Description
技术领域
本公开属于民航安全技术领域，具体而言，涉及一种飞机机舱烟气分布实验装置及方法。
背景技术
飞机客舱空间密封良好，室内的空气由供气系统引入外界的新鲜空气和舱内的再循环空气混合而成，发生火灾时很容易造成有毒有害气体的积累，对乘客造成伤害。另一方面，相关的研究显示，诸如新冠肺炎的感染者长时间待在等拥挤且通风不良的客舱空间，也会由于气溶胶的短程传播，感染他人。专利CN205506783U公开了“空气污染物实验装置”，可用于实验研究人体呼出生物气溶胶的监测，但并未涉及密闭空间中空调通风、环境压力对于密闭空间中有毒、有害气体、颗粒运移的影响。
同时，尽管飞机货舱火灾的探测技术不断发展，但受限于飞机内部各种复杂情况，飞机无论是停驻在地面还是飞行过程中，安装于其中传统的光电烟雾传感器产生虚假的火灾警报事故依然频发。飞行中虚假警报将导致飞机紧急着陆，进而扰乱后续航班飞行秩序，造成一系列直接或间接损失。民航总局对我国1995-2001年飞行事故的统计中显示：在这六年中共发生货舱火警43次，其中为误报事件的占比100％。据美国联邦航空局(FederalAviation Administration)技术中心统计，平均每200次火警中只有一次为真实火警。例如，2016年8月5日，深圳航空ZH9638航班，由南京飞往桂林途中前货舱出现火警，机长请求紧急返航沈阳桃仙国际机场，降落后乘客疏散到隔离区休息，航班取消。后续调查证实亦为火警系统故障。2017年11月13日，南方航空CZ6406航班由南京飞往桂林途中后货舱出现火警，机长申请紧急备降长沙黄花机场，飞机降落过程中机翼擦地，导致1名乘客脚踝扭伤，后续调查结果显示为烟雾传感器虚假警报。目前，专利CN206177860U公开了“一种飞机货舱全尺寸多功能变压实验测试系统”为定量研究货舱压力影响全尺寸变压环境下火灾、爆炸及灭火实验提供了方法，但此项专利并不能针对上模拟舱(客舱)压力、温度变化的影响开展相关实验研究。专利“CN103292835A”、“CN103903380A”分别公开了“一种火灾探测性能综合检测模拟实验装置”、“一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器”可用于对多火灾特征参数、环境参数进行采集、分析，从而消除检测区域环境参数变化引起的火灾探测器误报现象的发生，实现早期快速探测到火灾，但该技术并未涉及压力、流动控制、温度多因素耦合下对于烟气及有毒气体扩散及分布状况等的影响。
发明内容
本申请提出一种飞机机舱烟气分布实验装置及方法，旨在部分地解决已有技术中的问题，用于包括航空器在内的可控通风环境下不同流动环境(温度、压力、循环风控制)下烟气及有毒气体扩散过程及分布情况研究，为火灾安全事故的预防与控制、事故调查及装备检验测试提供实验手段和研究环境。
根据本公开的第一方面，提出飞机机舱烟气分布实验装置，包括：
实验舱体，由钢制隔板将所述实验舱体分为上部客舱和下部货舱；
燃烧单元，用于模拟事故产生的烟气或毒气，所述燃烧单元位于实验舱体的下部货舱中；
测量及控制系统，包括舱内压力控制子系统、温度控制子系统和循环风模拟子系统，其中：
所述舱内压力控制子系统，用于进行实验舱体内的压力调节，所述舱内压力控制子系统与实验舱体的排气孔相连；
所述温度控制子系统，用于进行实验舱体内的温度调节；
所述循环风模拟子系统，用于调节实验舱体内气体流动的方式和气体流量。
可选地，所述舱内压力控制子系统由真空泵、第二控制阀流量计、缓冲舱和第一控制阀流量计通过管路系统依次连通，舱内压力控制子系统通过第一控制阀流量计与实验舱体连通。
可选地，所述温度控制子系统包括货舱制冷机组和新风空调机组；所述货舱制冷机组置于货舱内，所述新风空调机组置于实验舱体外，货舱制冷机组设有第一出风口和第二出风口，第一出风口和第二出风口分别位于下部货舱的左上侧和右下侧；该新风空调机组与第三控制阀流量计通过管路系统相连接。
可选地，所述循环风模拟子系统由第三控制阀流量计、循环腔、循环风出口、夹层空间和排气孔通过管路系统依次连通而成。
本公开的第二方面，提出飞机机舱烟气分布实验方法，包括：
(1)构建一个本公开实施例提出的飞机机舱烟气分布研究实验装置；
(2)在燃烧单元引燃易燃烧物；
(3)调节压力控制子系统中第一控制阀流量计，同时启动真空泵，设定缓冲舱内部压力为实验舱体所需压力P；
(4)调节压力控制子系统中的第二控制阀流量计，使第二控制阀流量计的开度A0为：
其中，Q为压力控制子系统中管道流量，取值为600m3/h，P1为实验舱体压力，x为实验舱体压力P1与缓冲舱内部压力P之比；
(5)调节温度控制子系统中第三控制阀流量计，将新风空调机组的设定温度和压力的气体通过循环腔进入实验舱体上部的客舱内，并使管路中的气体流量保持在600m3/h；
(6)调节温度控制子系统中的货舱制冷机组，使得第一出风口和第二出风口气体流量均为100m3/h，以模拟实验舱体各区域不同温度；
(7)在步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)的各操作共同协调下，相互连接管路使循环风以特定通路运行，以进行飞机机舱烟气分布研究。
采用公开的实施例示出的飞机机舱烟气分布实验装置及方法，可以开展不同压力、温度、通风环境条件下，飞机客舱、货舱中烟气及有毒有害气体扩散过程及分布状况实验研究，可为飞机安全事故的预防与控制、事故调查测试提供数据支撑，也可为新装备的检验提供实验手段和研究环境。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
为了更清楚的说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本公开的一个实施例示出的飞机机舱烟气分布实验装置的结构示意图。
图2是图1所示的飞机机舱烟气分布实验装置的侧视图。
图1和图2中，1是实验舱体，2是客舱，3是货舱，4是循环风出口，5是燃烧单元，6是循环腔，7是夹层空间，8是排气孔，9是货舱制冷机组，10是钢制隔板，11是第一控制阀流量计，12是空缓冲舱，13是第二控制阀流量计，14是真空泵，15是第三控制阀流量计，16是新风空调机组，17第一出风口，18第二出风口。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
图1所示是根据本公开的一个实施例示出的飞机机舱烟气分布实验装置的结构示意图。
如图1和图2所示，所述飞机机舱烟气分布实验装置，包括：
实验舱体1，由钢制隔板10将所述实验舱体1分为上部客舱2和下部货舱3；
燃烧单元5，用于模拟事故产生的烟气或毒气，所述燃烧单元5位于实验舱体的下部货舱3中；
测量及控制系统，包括舱内压力控制子系统、温度控制子系统和循环风模拟子系统。
所述舱内压力控制子系统，用于进行实验舱体内的压力调节，通过调节真空泵14的速率，对实验舱体1的气体流量进行调节，以模拟实验平台不同压力升降速率变化环境、特定排气量、特定负压环境，所述舱内压力控制子系统与实验舱体1的排气孔8相连。
在一个实施例中，所述舱内压力控制子系统由真空泵14、第二控制阀流量计13、缓冲舱12和第一控制阀流量计11通过管路系统依次连通，并通过第一控制阀流量计11与实验舱体的排气孔8连通。
所述温度控制子系统，用于进行实验舱体内的温度调节，采用往舱内通新风的方式对整舱进行调温，并通过货舱制冷机组调节，进一步降低货舱温度，模拟飞行过程中飞机上舱(客舱)与下舱(货舱)的实际环境温度。
在一个实施例中，所述温度控制子系统包括货舱制冷机组9和新风空调机组16。所述货舱制冷机组9置于货舱内，所述新风空调机组16置于实验舱体外，货舱制冷机组9设有第一出风口17和第二出风口18，第一出风口17和第二出风口18分别位于下部货舱的左上侧和右下侧。新风空调机组16通过第三控制阀流量计15与循环风模拟子系统中的循环腔6相连接。
所述循环风模拟子系统，用于调节实验舱体内气体流动的方式和气体流量。通过风道的设计，对实验舱体的气体流动走向进行控制，模拟实验舱体内气流流动环境下烟气及有毒气体扩散过程。
在一个实施例中，所述循环风模拟子系统由第三控制阀流量计15、循环腔6、循环风出口4、实验舱体1的夹层空间7和排气孔8通过管路系统依次连通而成。
采用本公开图1所示的实施例示出的飞机机舱烟气分布实验装置，可针对通风、空间受限的飞机机舱空间，开展不同压力、温度、通风环境条件下，飞机客舱、货舱中烟气及有毒有害气体扩散过程及分布状况实验研究，研究环境压力、温度、通风特性对于火灾等事故产生的有毒、有害气体、颗粒的运移特性的影响，为飞机安全事故的预防与控制、事故调查测试提供数据支撑，也可为新装备的检验提供实验手段和研究环境。
与上述飞机机舱烟气分布实验装置相对应地，本公开还提出了一种飞机机舱烟气分布实验方法的实施例，包括：
(1)构建一个根据本公开的一个实施例示出的飞机机舱烟气分布实验装置；
(2)在燃烧单元5引燃易燃烧物；易燃烧物可以是飞机内饰、座椅，燃油，纸箱、木朵中的几个或全部，以模拟飞行过程中实验舱体下面货舱行李失火燃烧产生烟气等；
(3)调节压力控制子系统中第一控制阀流量计11，同时启动真空泵14，设定缓冲舱12的内部压力为实验舱体1所需压力P；
(4)调节压力控制子系统中的第二控制阀流量计13，使第二控制阀流量计13的开度A0为：
其中，Q为压力控制子系统中的管道流量，取值可以为600m3/h，P1为实验舱体1的压力，x为实验舱体压力P1与缓冲舱内部压力P之比(P/P1)；
(5)调节温度控制子系统中第三控制阀流量计15，将新风空调机组16的设定温度和压力的气体通过循环腔6进入实验舱体1上部的客舱2内，并使管路中的气体流量保持在600m3/h；
(6)调节温度控制子系统中的货舱制冷机组9，使得第一出风口17和第二出风口18的气体流量均为100m3/h，以模拟实验舱体各区域不同温度；
(7)在步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)的各操作共同协调下，相互连接管路使循环风以特定通路运行，以进行飞机机舱烟气分布研究。
本公开提出的飞机机舱烟气分布实验方法，可以用于对飞机机舱发生火灾燃烧等事故产生的有毒、有害气体、颗粒等的运移、分布规律进行研究，以期为飞机客舱、机舱等特殊环境下的安全预防与控制、事故调查测试提供数据支撑，为新装备的检验提供实验手段和研究环境。
以下结合图1和图2，通过本公开的一个实施例，对飞机外部火灾的模拟实验装置和方法进行详细介绍：
压力控制系统进行舱内压力调节的同时，通过风道的设计，对气体流动走向进行控制，模拟机舱气流流动环境下烟气及有毒气体扩散过程。参见图1，通过新风机组调节好温度和压力的气体从顶部通入上模拟舱(客舱)舱内，自上而下流动充满整个机舱后，从侧壁进入夹层，夹层气体进入下模拟舱(货舱)内循环流动后复又排到夹层，夹层内的气体一部分经夹层后部的排气口排出，另一部分重新进入进气系统，与新风1:1混合均匀重新通入上模拟舱，如此循环，实现模拟舱内的气体流动和上下模拟舱的气流交互模拟舱排气先经过缓冲舱，再由真空机组排出。参见图2，模拟舱排气先经过缓冲舱，再由真空机组排出。缓冲舱的设计，是为了给模拟舱提供一个相对稳定的外部负压环境，使舱内气流走向更趋于真实机舱情况。按照设计压力，通过调节阀门开度，控制真空机组排量，使之稳定在某一压力值。与此同时，通过货舱制冷机组调节，可以进一步降低下模拟舱(货舱)温度。
实验舱体按飞机中部舱段的1:1的比例构造，整体结构密封，形状为圆筒状，由中间隔板分开成上模拟舱(客舱)和下模拟舱(货舱)两部分，材质均为304不锈钢。
其中，通过压力控制系统调节，可实现模拟实验舱体内压力调节范围为80kPa～常压，缓冲舱压力变化范围为15kPa～常压，其主要是为了给模拟舱提供一个相对稳定的外部负压环境，使舱内气流走向更趋于真实机舱情况。
其中，通过向舱内通新风的方式调温，可实现模拟实验舱体内温度调节范围为15℃～30℃，下模拟舱温度调节范围为-30℃～70℃，精度范围为±1℃，升降温速率为30℃/h。
其中，调节好温度和压力的气体从顶部通入上模拟实验舱体的客舱内，自上而下流动充满整个客舱后，从底部侧壁进入夹层，夹层气体进入下模拟舱的货舱内循环流动后复又排到夹层，夹层内的气体一部分经夹层后部的排气口排出，另一部分重新进入进气系统，与新风1：1混合均匀重新通入上模拟舱，如此循环，实现模拟舱内的气体流动和上下模拟舱的气流交互。
其中，燃烧单元由油盘、点火器组成，可燃烧内饰、座椅，燃油，纸箱、木朵产生废气，也可模拟甲烷、丙烷其他事故产生的烟气或毒气。
本公开的一个实施例中，实验舱体中的客舱2的长、宽、高分别为8000×3670×2330mm，货舱3的长、宽、高分别为5800×2640×1245mm，所述的燃烧单元5位于货舱3地面的中心位置。
实验舱体可以按飞机中部舱段的1:1的比例构造，整体结构密封，形状为圆筒状，由中间隔板分开成上模拟舱(客舱)和下模拟舱(货舱)两部分，材质均为304不锈钢。
通过压力控制系统调节，可实现实验舱体压力调节范围为80kPa～常压。缓冲舱压力变化范围为15kPa～常压，控制精度为±1kPa，变化速率为0～5kPa/min，其主要是为了给模拟舱提供一个相对稳定的外部负压环境，使舱内气流走向更趋于真实机舱情况。
通过温控系统调节，向实验舱体内通新风的方式调温，新风进气量为600m3/h，可实现模拟舱温度调节范围为15℃～30℃，下模拟舱温度调节范围为-30℃～70℃，精度范围为±1℃，升降温速率为30℃/h。
调节好温度和压力的气体从顶部通入上模拟舱(客舱)内，自上而下流动充满整个客舱后，从底部侧壁进入夹层，夹层气体进入下模拟舱(货舱)内循环流动后复又排到夹层，夹层内的气体一部分经夹层后部的排气口排出，另一部分重新进入进气系统，与新风1：1混合均匀重新通入上模拟舱，如此循环，实现模拟舱内的气体流动和上下模拟舱的气流交互，模拟舱循环气量1200m3/h。
在一个利用本公开的飞机机舱烟气分布实验装置进行的飞机机舱烟气分布实验中，进行了模拟飞机机舱各种灾害环境下燃烧产生的烟气扩散机理过程。进行燃烧产生的烟气扩散过程实验时，根据需要模拟火灾的特点，选择在燃烧单元5中布置内饰、座椅，燃油，纸箱、木朵中的几个或全部，模拟飞行过程中下模拟舱(货舱)行李失火燃烧产生烟气运移、扩散过程。首先，通过调节第二控制阀流量计13，使空缓冲舱12的各项参数(环境压力、真空度)达到实验设计值，然后开启第一控制阀流量计11，模拟实验舱体内部压力。其次，通过调节第三控制阀流量计15，将新风空调机组16调节好温度和压力的气体通入实验舱，并开启货舱制冷机组9，模拟实验舱体各区域不同温度。循环风出口4、循环腔6、第三控制阀流量计9通过管路连接，实验过程中自动开启，保证了循环风以特定通路运行。对于飞行过程中舱体实验环境，可进一步通过调节第二控制阀流量计13，增大气体抽出量，调节货舱制冷机组9降温温度速率，实现不同飞行海拔高度下舱体内部温度、压力模拟。
尽管以上对本公开的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的专业技术人员理解本专利，但本公开不限于具体实施方式的范围，对本专业技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本公开的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本公开构思的发明创造均在保护之列。
Claims (1)
1.一种飞机机舱烟气分布实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建一个飞机机舱烟气分布研究实验装置，所述实验装置包括：
实验舱体，由钢制隔板将所述实验舱体分为上部客舱和下部货舱；
燃烧单元，用于模拟事故产生的烟气或毒气，所述燃烧单元位于实验舱体的下部货舱中；
测量及控制系统，包括舱内压力控制子系统、温度控制子系统和循环风模拟子系统，其中：
所述舱内压力控制子系统，用于进行实验舱体内的压力调节，所述舱内压力控制子系统与实验舱体的排气孔相连；
所述温度控制子系统，用于进行实验舱体内的温度调节；
所述循环风模拟子系统，用于调节实验舱体内气体流动的方式和气体流量；
所述舱内压力控制子系统由真空泵、第二控制阀流量计、缓冲舱和第一控制阀流量计通过管路系统依次连通，舱内压力控制子系统通过第一控制阀流量计与实验舱体连通；
所述温度控制子系统包括货舱制冷机组和新风空调机组；所述货舱制冷机组置于货舱内，所述新风空调机组置于实验舱体外，货舱制冷机组设有第一出风口和第二出风口，第一出风口和第二出风口分别位于下部货舱的左上侧和右下侧；该新风空调机组与第三控制阀流量计通过管路系统相连接；述循环风模拟子系统由第三控制阀流量计、循环腔、循环风出口、夹层空间和排气孔通过管路系统依次连通而成；
(2)在燃烧单元引燃易燃烧物；
(3)调节压力控制子系统中第一控制阀流量计，同时启动真空泵，设定缓冲舱内部压力为实验舱体所需压力P；
(4)调节压力控制子系统中的第二控制阀流量计，使第二控制阀流量计的开度A0为：
其中，Q为压力控制子系统中管道流量，取值为600m3/h，P1为实验舱体压力，x为实验舱体压力P1与缓冲舱内部压力P之比；
(5)调节温度控制子系统中第三控制阀流量计，将新风空调机组的设定温度和压力的气体通过循环腔进入实验舱体上部的客舱内，并使管路中的气体流量保持在600m3/h；
(6)调节温度控制子系统中的货舱制冷机组，使得第一出风口和第二出风口气体流量均为100m3/h，以模拟实验舱体各区域不同温度；
(7)在步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)的各操作共同协调下，相互连接管路使循环风以特定通路运行，以进行飞机机舱烟气分布研究。
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