CN116822250B - 一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统及方法，属于航空发动机气体灭火技术领域，具体步骤如下：步骤1、读取初始参数；步骤2、假定管道流量；步骤3、通过灭火剂与氮气混合物和储罐模型，计算压力降低后，储罐的相关参数；步骤4、将上述步骤3中所得的相关参数作为管道模型的输入条件，计算求得管道内部的相关参数；步骤5、将管道末端的相关参数作为喷嘴模型的输入条件，计算求解喷出后的相关参数；步骤6、判断喷嘴面积是否不小于有效流通面积；步骤7、判断储罐内部的压力是否等于外界的压力。该方法能够支持大部分气体型灭火剂，实用性较强；同时能够以较高的精度计算喷射压力、温度、流量等参数，为设计人员提供参考。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机气体灭火技术领域，尤其是涉及一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统及方法。
背景技术
航空发动机的火灾安全问题至关重要，常见手段包括：阻燃材料、防火分区、通风控制和灭火系统。其中，航空发动机灭火系统的设计，需要考虑因素较多，包括飞机的内部结构，以及灭火系统的输运性能。灭火系统的输运性能体现在喷射流量、速度、压力、温度等变量上。灭火系统的输运性能会显著影响到灭火效率。
常用的灭后系统输运性能评估方法有两种：一、采用商用CFD计算软件；二、运用卤代烷1301灭火系统设计规范（GB 50163－92）。航空发动机灭火系统内部的流动较为复杂，使用CFD计算软件进行评估的难度较大，普通CFD使用者难以胜任，需要流体力学专家进行算法设计，因此，该方法多见于高校、研究所，用于科学研究，工程实用性较差。卤代烷1301灭火系统设计规范（GB 50163－92）提供的计算方法，能够较为方便的计算出结果，然而，其结果的计算精确度较低。
本发明基于流体力学，针对航空发动机气体灭火系统，建立了输运特性评估方法。该方法可适用于多种气体型灭火剂（不适用于固体，如干粉灭火剂），能够以较高的精度计算喷射压力、温度、流量等参数，为设计人员提供参考。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统及方法，解决上述技术存在的计算精确度较低、工程实用性较差的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统，包括管道、设置在所述管道一端的储罐和设置在所述管道另一端的喷嘴，所述管道内设置有灭火剂与氮气混合物。
一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估方法，包括以下步骤：
步骤1、读取初始参数，包括储罐参数、管道参数和喷嘴参数；
步骤2、假定管道流量G；
步骤3、通过灭火剂与氮气混合物和储罐模型，计算压力降低后，储罐的温度、密度、气液成分比例和流出质量；
步骤4、将上述步骤3中所得的流出质量、储罐的温度、密度、气液成分比例作为管道模型的输入条件，计算求得管道内部密度、压力、温度和气液成分比例的空间分布；
步骤5、将管道末端的温度、压力、密度和气液成分比例作为喷嘴模型的输入条件，计算求解喷出后的温度、压力、密度和气液成分比例；
步骤6、判断喷嘴面积是否不小于有效流通面积，若不小于则计算间隔时间，反之则返回步骤2重新假定管道流量；
步骤7、判断储罐内部的压力是否等于外界的压力，若等于则直接结束，反之则将计算所得的结果作为起始条件，返回步骤2重新进行计算。
优选的，所述步骤1中所述储罐参数包括储罐内部温度、压力、灭火剂初始质量；所述管道参数包括管道长度、管道直径、表面摩擦系数；所述喷嘴参数为有效喷射面积。
优选的，所述步骤6中判断喷嘴面积是否不小于有效流通面积的计算表达式如下：
；
其中，，/>、/>、G分别为喷出密度、喷出速度、喷嘴面积、管道流量。
优选的，所述步骤6中间隔时间计算的具体表达式如下：
；
其中，为步骤3中计算得到的密度，/>为步骤4计算得到的密度，/>为第3步计算得到的流出质量。
优选的，所述灭火剂与氮气混合物模型用于计算灭火剂与氮气混合物的热力学性质，具体计算过程如下：
（1）计算氮气分压和灭火剂分压/>；
；
；
其中，表示灭火剂的饱和蒸汽压，/>为亨利系数，/>为氮气分压；
（2）求解溶于液体中的氮气质量分数以及气体中气态灭火剂的质量分数/>；
；
；
其中为氮气分子质量，/>为灭火剂分子质量，/>为氮气分压，/>为灭火剂分压，/>为亨利系数；
（3）求解气液质量比：
；
其中，为氮气和灭火剂的质量比，/>为溶于液体中的氮气质量分数，/>为气体中气态灭火剂的质量分数，/>为气体质量，/>为液体质量；
（4）计算混合物的密度：
；
其中，、/>为氮气密度和灭火剂密度，/>为；
（5）计算混合物的焓和内能/>：
；
；
其中，、/>为氮气的焓和灭火剂的焓，/>、/>为氮气的内能和灭火剂的内能。
优选的，所述储罐模型用于计算储罐的状态变化以及流出储罐的混合物性质，具体计算过程如下：
（1）通过灭火剂与氮气混合物模型，计算出初始密度、初始焓/>、初始内能/>；
（2）假定当前储罐温度；
（3）根据当前储罐压力、当前储罐温度，求解当前储罐密度、当前储罐焓/>、当前储罐内能/>；
（4）迭代求解下述方程，找到当前温度的正确值
；
；
其中，为流出物体积，/>为储罐体积；
（5）计算流出质量；
。
优选的，所述管道模型用于求解管道出口的输运性质，具体计算表达式如下：
；
；
；
其中，为剪切应力，/>为管道直径，/>为管道速度场，/>为管道面积，/>为管道压力场，/>为管道的焓，/>为管道密度。
优选的，所述喷嘴模型中喷嘴处的动量方程如下：
；
其中，为喷嘴处的速度，/>为喷嘴处的压力。
因此，本发明采用上述一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统及方法，具有以下有益效果：该系统能够支持大部分气体型灭火剂，实用性较强；同时能够以较高的精度计算喷射压力、温度、流量等参数，为设计人员提供参考。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统的结构图；
图2为一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估方法的流程图；
图3为具体实例的实验数据与本模型计算结果在不同储罐压力的条件下得到的效果对比图；
图4为具体实例的实验数据与本模型计算结果在不同储罐温度的条件下得到的效果对比图；
图5为具体实例的实验数据与本模型计算结果在不同喷嘴压力的条件下得到的效果对比图；
图6为具体实例的实验数据与本模型计算结果在不同喷嘴温度的条件下得到的效果对比图；
其中，1、储罐；2、管道；3、喷嘴；4、灭火剂与氮气混合物。
具体实施方式
实施例
以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
请参与图1，一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统，包括管道2、设置在管道2一端的储罐1和设置在管道2另一端的喷嘴3，管道内设置有灭火剂与氮气混合物4。
请参与图2，一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估方法，包括以下步骤：
步骤1、读取初始参数，包括储罐参数、管道参数和喷嘴参数，储罐参数包括储罐内部温度、压力、灭火剂初始质量；管道参数包括管道长度、管道直径、表面摩擦系数；喷嘴参数为有效喷射面积；
步骤2、假定管道流量G；
步骤3、通过灭火剂与氮气混合物和储罐模型，计算压力降低后，储罐的温度、密度、气液成分比例和流出质量；
步骤4、将上述步骤3中所得的流出质量、储罐的温度、密度、气液分比比例作为管道模型的输入条件，计算求得管道内部密度、压力、温度和气液成分比例的空间分布；
步骤5、将管道末端的温度、压力、密度和气液成分比例作为喷嘴模型的输入条件，计算求解喷出后的温度、压力、密度和气液成分比例；
步骤6、判断喷嘴面积是否不小于有效流通面积，若不小于则计算间隔时间，反之则返回步骤2重新假定管道流量，判断喷嘴面积是否不小于有效流通面积的计算表达式如下：
；
其中，，/>、/>、G分别为喷出密度、喷出速度、喷嘴面积、管道流量；
间隔时间计算的具体表达式如下：
；
其中，为步骤3中计算得到的密度，/>为步骤4计算得到的密度，/>为第3步计算得到的流出质量；
步骤7、判断储罐内部的压力是否等于外界的压力，若等于则直接结束，反之则将计算所得的结果作为起始条件，返回步骤2重新进行计算。
灭火剂与氮气混合物模型用于计算灭火剂与氮气混合物的热力学性质，具体计算过程如下：
（1）计算氮气分压和灭火剂分压/>；
；
；
其中，表示灭火剂的饱和蒸汽压，/>为亨利系数，/>为氮气分压；
（2）求解溶于液体中的氮气质量分数以及气体中气态灭火剂的质量分数/>；
；
；
其中为氮气分子质量，/>为灭火剂分子质量，/>为氮气分压，/>为灭火剂分压，为亨利系数；
（3）求解气液质量比：
；
其中，为氮气和灭火剂的质量比，/>为溶于液体中的氮气质量分数，/>为气体中气态灭火剂的质量分数，/>为气体质量，/>为液体质量；
（4）计算混合物的密度：
；
其中，、/>为氮气密度和灭火剂密度，/>为；
（5）计算混合物的焓和内能/>：
；
；
其中，、/>为氮气的焓和灭火剂的焓，/>、/>为氮气的内能和灭火剂的内能。
储罐模型用于计算储罐的状态变化以及流出储罐的混合物性质，具体计算过程如下：
（1）通过灭火剂与氮气混合物模型，计算出初始密度、初始焓/>、初始内能/>；
（2）假定当前储罐温度；
（3）根据当前储罐压力、当前储罐温度，求解当前储罐密度、当前储罐焓/>、当前储罐内能/>；
（4）迭代求解下述方程，找到当前温度的正确值
；
；
其中，为流出物体积，/>为储罐体积；
（5）计算流出质量；
。
管道模型用于求解管道出口的输运性质，具体计算表达式如下：
；
；
；
其中，为剪切应力，/>为管道直径，/>为管道速度场，/>为管道面积，/>为管道压力场，/>为管道的焓，/>为管道密度。
喷嘴模型中喷嘴处的动量方程如下：
；
其中，为喷嘴处的速度，/>为喷嘴处的压力。
图3-图6展示了实验数据与本模型计算结果在不同储罐压力、不同储罐温度、不同喷嘴压力和不同喷嘴温度的条件下得到的效果对比图，具体的测试场景为：管长：4000mm，管径：18mm，储罐体积：3.78L，初始灭火剂质量：3kg，灭火剂：HFC125。
因此，本发明采用上述一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统及方法，能够支持大部分气体型灭火剂，实用性较强；同时能够以较高的精度计算喷射压力、温度、流量等参数，为设计人员提供参考。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统，其特征在于：包括管道、设置在所述管道一端的储罐和设置在所述管道另一端的喷嘴，所述管道内设置有灭火剂与氮气混合物；
具体评估方法包括以下步骤：
步骤1、读取初始参数，包括储罐参数、管道参数和喷嘴参数；
步骤2、假定管道流量G；
步骤3、通过灭火剂与氮气混合物和储罐模型，计算压力降低后，储罐的温度、密度、气液成分比例和流出质量；
步骤4、将上述步骤3中所得的流出质量、储罐的温度、密度、气液成分比例作为管道模型的输入条件，计算求得管道内部密度、压力、温度和气液成分比例的空间分布；
步骤5、将管道末端的温度、压力、密度和气液成分比例作为喷嘴模型的输入条件，计算求解喷出后的温度、压力、密度和气液成分比例；
步骤6、判断喷嘴面积是否不小于有效流通面积，若不小于则计算间隔时间，反之则返回步骤2重新假定管道流量；
步骤7、判断储罐内部的压力是否等于外界的压力，若等于则直接结束，反之则将计算所得的结果作为起始条件，返回步骤2重新进行计算；
所述灭火剂与氮气混合物模型用于计算灭火剂与氮气混合物的热力学性质，具体计算过程如下：
（1）计算氮气分压和灭火剂分压/>；
；
其中，表示灭火剂的饱和蒸汽压，/>为亨利系数，/>为氮气分压；
（2）求解溶于液体中的氮气质量分数以及气体中气态灭火剂的质量分数/>；
；
其中为氮气分子质量，/>为灭火剂分子质量，/>为氮气分压，/>为灭火剂分压，/>为亨利系数；
（3）求解气液质量比：
；
其中，为氮气和灭火剂的质量比，/>为溶于液体中的氮气质量分数，/>为气体中气态灭火剂的质量分数，/>为气体质量，/>为液体质量；
（4）计算混合物的密度：
；
其中，、/>为氮气密度和灭火剂密度，/>为；
（5）计算混合物的焓和内能/>：
；
其中，、/>为氮气的焓和灭火剂的焓，/>、/>为氮气的内能和灭火剂的内能。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统，其特征在于：所述步骤1中所述储罐参数包括储罐内部温度、压力、灭火剂初始质量；所述管道参数包括管道长度、管道直径、表面摩擦系数；所述喷嘴参数为有效喷射面积。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统，其特征在于，所述步骤6中判断喷嘴面积是否不小于有效流通面积的计算表达式如下：
；
其中，，/>、/>、G分别为喷出密度、喷出速度、喷嘴面积、管道流量。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统，其特征在于，所述步骤6中间隔时间计算的具体表达式如下：
；
其中，为步骤3中计算得到的密度，/>为步骤4计算得到的密度，/>为第3步计算得到的流出质量。
5.根据权利要求1所述的一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统，其特征在于，所述储罐模型用于计算储罐的状态变化以及流出储罐的混合物性质，具体计算过程如下：
（1）通过灭火剂与氮气混合物模型，计算出初始密度、初始焓/>、初始内能/>；
（2）假定当前储罐温度；
（3）根据当前储罐压力、当前储罐温度，求解当前储罐密度、当前储罐焓/>、当前储罐内能/>；
（4）迭代求解下述方程，找到当前温度的正确值；
；
；
其中，为流出物体积，/>为储罐体积；
（5）计算流出质量；
。
6.根据权利要求1所述的一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统，其特征在于，所述管道模型用于求解管道出口的输运性质，具体计算表达式如下：
；
其中，为剪切应力，/>为管道直径，/>为管道速度场，/>为管道面积，/>为管道压力场，/>为管道的焓，/>为管道密度。
7.根据权利要求1所述的一种航空发动机气体灭火系统输运性能评估系统，其特征在于，所述喷嘴模型中喷嘴处的动量方程如下：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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