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                      變壓力條件下飛機貨艙火災特征研究

                      發布時間: 2021-08-20 17:14:06

                      1引言

                      飛機自20世紀發明以來,已經成為極為重要的交通工具。據統計,全球民用飛機已經達到上萬架次,一年客運量已經超過30億人次,運輸貨物上千萬噸。通過上述數據,我們可以看到,航空業通過快速的發展,已經對我們的世界產生了深遠的影響。岳興楠、于曉芳[1,2]等人的研究表明飛機火災對飛機安全飛行的影響,一方面會摧毀飛機的運行系統,另一方面會引起人們的恐慌致使飛機重心變化而失控,而留給機組人員和乘客的處置時間是很短暫的,最多也只有30分鐘,所以對飛機貨艙的火災的預防控制是很有必要的。李棗[3]等人對飛機火災事故進行了分類。針對飛機艙室內壓力變化引起的火災,胡軍鋒[4,5]等人就飛機艙室在定壓力的條件下已有了一定的研究。而變壓力的條件下根據肖雋然[6]等人的研究表明飛機的飛行過程包括起飛、巡航、降落三個階段,起飛和降落過程均為變壓力條件,而這種變壓力情況下飛機火災危險性的研究較為匱乏。然這種變壓力條件是每架飛機飛行過程中得必經過程,所以本文就這種飛機艙室變壓力的條件下的溫度和煙氣用PyroSim、FDS等軟件進行模擬,為飛機艙室火災的預防提供一定的參考建議。

                      2 模型建立

                      本文以一個實際的1:1波音737-700前貨艙作為模型開展研究。根據波音737-700的實際尺寸,模型為上寬下窄弧形壁面扁平柱體。其長度為467cm,高112cm,底面寬122cm,頂面寬300cm。壁面厚8mm。其貨艙所處的環境為靜風,室溫25℃,貨艙外部為常壓101kPa

                      本文的模型建立基于火災模擬軟件PyroSim,因PyroSim軟件只能應用長方體表達模擬模型,所以此次建模時只能采用多個長方體組合表達的方法代替需要建立的模型。從Pyrosim內置坐標軸原點出發,沿X、Y、Z軸方向建立長500.0cm、寬320.0cm、高150.0cm的網格。如圖1所示。并且對于無量綱火源,網格密度需盡量滿足以下條件:

                      (1)

                      其中,Q表示火災熱釋放率;表示火災特征直徑;表示環境溫度(本模擬中即為25℃);為定壓比熱;g 表示重力加速度;表示環境密度(本模擬中即為空氣密度,為1.29kg/m³)。

                      (2)

                      同時考慮到網格密度對于計算機計算量的影響最終選定網格尺寸為0.05m×0.05m×0.05m,網格數量192000個,既滿足了計算精度和又保證計算機的運算效率。網格劃分分布見如圖1。

                      圖1網格劃分分布圖

                       

                      具體模型建立包括以下方面:

                      1)排風

                      我們希望通過排風口的抽氣效果來實現貨艙的壓力變化。為了盡可能的減少排風口對于火源的影響,建模時將排風口安排在貨艙底面的四周,排風口寬度均為0.1m,長度有4.67m和1.02m兩組,分別安排在底面的長邊和短邊。排風口設置如下圖2中黃色區域所示。


                      圖2排風口 

                       

                      2)火源

                      本次模擬實驗中的火源可燃物定義為聚氨酯火源功率有60kW/㎡和35kw/㎡兩種,分別模擬代表兩種不同受控條件下的飛機貨艙火災。60kW/㎡的火源功率模擬代表火災發生時,飛機貨艙內的滅火裝置未能有效得對火災進行控制,火災火源功率相對較大。35kW/㎡的火源功率模擬代表火災發生時,飛機貨艙內的滅火裝置對火災進行了有效的控制,火災火源功率相對較小。此次實驗中火源只設置在飛機貨艙的中央,離地高度0.1m,火源面積為0.5m×0.5m=0.25㎡以盡量接近飛機貨艙行李火災的實際情況。

                      3)模擬環境設置

                      模擬時間設為600s和1200s兩種,飛機貨艙內壓力設為三組分別為100kPa-60kPa、100kPa-70kPa、100kPa-80kPa三種。

                      以模擬時間為600s,貨艙內壓強從100kPa變化至60kPa的這組算例為例簡單介紹具體計算過程。通過對模型進行計算可得,貨艙體積為13.29m³,排風口面積為1.138㎡,對于起始狀態我們有方程:


                       對于模擬終止狀態我們有方程:

                      方程(4)與方程(5)相比得n2=3/5n1,由此可以計算出n2=325.47mol,故抽出的氣體的物質的量為130.24mol,由氣體摩爾體積我們可以求得,抽出氣體體積為5.316m³,所以排氣口的排氣速率可以求得為0.00779m/s,最后在PyroSim軟件中進行相關設置,設置完成后,模型中的排風口會以固定速率在模擬時間內持續向貨艙外排氣,以實現飛機貨艙壓力的連續變化。

                      4)測點布置

                      本文共選擇了溫度、煙氣兩種測點。

                      所有測點水平高度都設置在飛機貨艙頂部距離貨艙上壁面0.05m處,都以貨艙俯視圖中點(2.5m.1.6m)為中心,沿X軸正反兩個方向每隔0.5m設置一個測點,沿Y軸正反兩個方向每隔0.4m設置一個測點。不同功能的測點相互重合(不同探測器不會產生影響)

                      現通過下表1,表示溫度測點在貨艙模型中的位置(煙氣測點位置與溫度測點相同),所示表中單位為:米(m)。

                      表1測點的位置


                      5)切片選擇和布置 

                      本文共設置了5個切片。在這里,對這個模型是選擇X=2.5m、Y=1.6、Z=0.63m、Z=0.97m、Z=1.3m五個平面設置切面,如圖3所示。


                      圖3切片在模型中的位置

                      表2總模擬工況表

                       

                      3、模擬結果分析與討論

                      3.1正常大氣壓條件下飛機貨艙活在溫度特征

                      圖4給出了正常大氣壓力條件下火源功率為60kW/㎡和35kW/㎡情況下飛機貨艙溫度變化曲線。通過兩組變化曲線可以看出,正常壓力條件下,火災發生時,熱源開始放熱,除THCP1號傳感器處的溫度存在一定程度的波動外,其余傳感器在0-300s的時間內監測溫度從環境初始溫度25℃開始持續上升,并都在實驗開始以后的300s左右的時間趨于穩定?;鹪垂β瘦^高的實驗組所達到穩定時的穩定溫度也相應較高,分析THCP1號傳感器的溫度波動情況可能是因為直接受到了火源本身的影響。而且從圖4中還可以看出,在水平方向上,同一水平面,距離火源越遠,貨艙內設置的傳感器探測到的溫度越低,即距離火源距離不同,貨艙內溫度存在衰減效應??梢钥闯?,在貨艙內的同一水平面上,貨艙溫度與距離火源的距離成反比,距離火源越遠,貨艙溫度越低。

                      (a) 正常大氣壓力條件下火源功率60kW/㎡飛機貨艙溫度變化曲線

                      (b) 正常大氣壓力條件下火源功率35kW/㎡飛機貨艙溫度變化曲線

                      圖4正常大氣壓力條件下不同功率飛機貨艙溫度變化曲線

                       

                      在豎直方向,貨艙內的溫度存在很明顯的分層現象。從圖5中可以看出,火災發生300s之后,貨艙內溫度趨于穩定。對于溫度趨于穩定的階段,取任意時間點,通過對X=2.5m切片平面進行分析,發現在貨艙溫度穩定階段,貨艙內上部溫度最高,從上到下溫度成下降趨勢,溫度相同的區域具有一定的厚度,且具有一定的均勻性。在貨艙頂部區域內,溫度層溫度可以達到70-80℃,在貨艙中部,溫度層溫度為50-60℃,對比于貨艙上部溫度,下降了20℃左右。至于貨艙下部,溫度降低到了40℃左右,但是對比于環境初始溫度(25℃)還是有了很大的溫度提升。

                       

                      圖5溫度分層情況

                      綜上可以發現,當飛機貨艙在正常大氣壓且壓力不發生變化的條件下發生火災時,火源熱釋放速率不發生變化,貨艙內溫度會經過一個快速上升階段,然后趨于穩定,且在溫度穩定階段,貨艙內溫度在水平方向和豎直方向存在很明顯的分布特征,在水平方向上,貨艙內溫度存在一定的衰減情況,貨艙溫度與距離火源中心距離成反比,即距離火源越遠,貨艙溫度越低。在豎直方向上,貨艙溫度存在很明顯的溫度分層區域,當貨艙內的溫度進入穩定階段后,貨艙內同一高度層,溫度相同或極為相近,隨著高度降低,不同高度層的溫度會出現明顯的降低,溫度與高度近似成一次線性關系,但即使在貨艙底部,溫度對比于初始環境溫度也會有明顯的上升。飛機貨艙溫度從初始環境溫度經過一定時間的上升之后,會進入穩定階段,雖然火源燃燒在持續進行,但只要火源功率不發生變化,貨艙內的溫度基本都會保持穩定。

                      3.2正常大氣壓條件下飛機貨艙火災煙氣特征

                      從Smokeview可視化模擬結果中截取上述5張具有代表性的圖片,黑色越深代表此處煙氣含量越高,從下5張圖片中,可以看出飛機貨艙火災模型煙氣流動的全過程。如圖6(a)所示,火災模擬進行到30s時,火災火源產生的煙氣在熱浮力作用下運動到了飛機貨艙頂棚,形成頂棚射流?;馂臒煔獠粩嘤苫鹪串a生,在模擬進行到60s時,煙氣充滿飛機貨艙頂層,此時飛機貨艙內煙氣的分層現象出現。從圖6(b)中可以看到,由于反浮力射流運動和煙氣在積累和重力沉降作用下,煙氣開始從頂層向下部沒有煙氣的冷空氣層運動,從圖中可以看處,在煙氣向下層彌漫過程中,壁面附近的煙氣總是比貨艙中心部分的煙氣含量更高(壁面附近顏色更深)說明了在沒有外力影響的條件下,封閉艙室煙氣在向下層運動過程中,反浮力射流運動對于煙氣的影響比煙氣的積累和重力作用更加明顯。當模擬進行到100s時,煙氣已經完全充滿了整個艙室,隨著接下來火災的繼續發展,煙氣繼續產生和積累,貨艙中煙氣含量持續升高,貨艙內的能見度也不斷下降,達到圖6(e)模擬進行到700s時所示的情況。

                       

                       

                      (a)模擬30s時貨艙煙氣情況

                      (b)模擬60s時貨艙煙氣情況

                       

                      (c)模擬100s時貨艙煙氣情況

                       

                      (d)模擬150s時貨艙煙氣情況

                       

                      (e)模擬700s時貨艙煙氣情況

                      圖6正常大氣壓力條件下不同模擬時間煙氣運動規律與分布情況

                       

                      結合前人的研究并結合上述溫度切片圖片和SmokeView模擬結果可以發現,在遠離火焰區域的位置,煙氣對貨艙溫度的影響是十分明顯的,煙氣的分層現象和貨艙內溫度豎直方向的分布規律具有一定的一致性,在一定程度上溫度分布規律反映了煙氣分布的特征。

                      3.3變壓力條件下飛機貨艙火災頂棚最高升溫規律

                      本文對于頂棚最高升溫規律的研究是取溫度穩定階段溫度曲線相對平穩的60s內實驗測得數據的平均值,以減少偶然因素和誤差對于實驗準確性的影響。

                      圖7 不同實驗組頂棚最高升溫

                       

                      從圖7中可以看出對于不同熱釋放速率的火源,火源熱釋放速率越高,頂棚最高升溫所對應的溫度也就越高。但不管火源熱釋放速率的大小,當火源熱釋放速率相同時,在變壓力條件下,最終達到的貨艙壓力越低,所對應的實驗組的貨艙頂棚最高升溫就越高。當在相同時間內貨艙最終達到的壓力越低時,對應貨艙內壓力降低也就越快,因為貨艙內空氣密度也會隨著貨艙內壓力的降低而下降,所以對應實驗組的貨艙內空氣密度下降越快。對于相同的燃料,當空氣密度下降,燃燒就需要更長的卷吸范圍來獲取更多的新鮮空氣,以支撐燃料的正常燃燒,在此條件下,火焰燃燒的高度就會增加,火焰外焰距離貨艙頂棚更加接近,從而使頂棚的最高升溫相應提高。

                      3.4變壓力條件下飛機貨艙火災溫度衰減規律

                      在前文中,對于正常大氣壓力下飛機貨艙火災,我們已經發現,頂棚溫度在水平方向上,隨著距離火源中心距離的增大,頂棚溫度會逐漸降低,這也就是封閉艙室頂棚溫度衰減現象。在變壓力條件下,隨著貨艙內壓力的不斷變化,對于貨艙火災頂棚溫度衰減速率也會產生不同的影響。在模型的建立過程中,已經在飛機貨艙頂棚每隔0.5m設立了一個溫度傳感器,以接收火災模擬過程之中獲得的溫度參數,本文對于頂棚溫度衰減速率的研究依舊是取頂棚溫度穩定階段,溫度曲線相對平穩的60s的數據的平均值,并對數據進行處理建立相關折線圖,如圖8

                      圖8 變壓力條件下頂棚溫度衰減規律

                      從圖中可以看處,在火源中心點上方頂棚(距離火源半徑r=0m)處,貨艙內壓力下降越快(模擬最終到達的貨艙壓力越低)的實驗組頂棚最高升溫越高,而在頂棚距離火源半徑r=2.0m處,頂棚升溫在不同條件下,差別不顯著。因此,對于不同的實驗組來說,頂棚溫度衰減速率不同,即壓力變化條件越大的實驗組,頂棚溫度衰減速率越高,溫度衰減越快。通過軟件對上述兩個對照組中的曲線進行擬合,擬合結果如下表所示。

                       

                      表3不同對照組溫度衰減擬合曲線

                      從擬合結果中可以看出,擬合出的曲線公式中有a、b兩個系數,結合溫度曲線可以發現,系數a表征最高升溫,壓力變化越大,系數a即最高升溫越高。系數b表征水平方向溫度衰減速率,壓力變化越大,系數b越大,所表征的溫度衰減速率越快。 

                      因此,可以得出:在相同實驗時間,火源熱釋放速率相同的條件下,貨艙模型最終變化到達的貨艙壓力越低,即貨艙內壓力降低的越快,貨艙溫度衰減越快。在不同的對照組中,壓力下降速率越快,貨艙內的空氣密度下降越快,火源質量損失速率減少,熱釋放速率下降,從火源中產生的煙氣溫度就會下降,煙氣在各種外界因素影響的彌漫運動過程中,煙氣溫度降低,但是煙氣與貨艙壁面和冷空氣之間的熱損失不變,從而導致在變壓力條件下,壓力變化速率越大,飛機貨艙頂棚溫度衰減速率越大。

                      4結論

                      本文主要針對正常壓力條件下飛機貨艙火災特征和壓力連續變化條件下,不同壓力變化對飛機貨艙火災特征的影響兩個方面進行了研究。主要選取了飛機貨艙火災模型的溫度和煙氣兩個參數。

                      對正常大氣壓力條件下飛機貨艙火災模型進行研究,我們發現在飛機貨艙等封閉艙室中,貨艙內溫度經過短時間快速上升后會進入穩定階段,穩定階段內,火源持續燃燒,但傳感器所接收到的溫度維持在相對穩定狀態。同時在水平方向上距離火源中心越近,貨艙溫度越高,貨艙溫度與距離火源中心距離成反比,貨艙溫度存在衰減效應。豎直方向上,貨艙內溫度存在明顯分層現象,同一高度層的貨艙溫度大致相當,隨著高度層的下降,飛機貨艙內溫度也持續降低。對于貨艙內煙氣分布規律我們發現,煙氣產生初期,貨艙內煙氣分層明顯,隨著煙氣不斷產生,由于反射流作用和重力沉降作用煙氣很快充滿飛機貨艙。

                      當飛機貨艙火災處于持續的壓力變化條件下時,我們發現,壓力下降越快,對應貨艙頂棚最高升溫越高、頂棚溫度衰減速率越快。

                      關鍵詞:消防;貨艙火災;貨艙壓力;壓力變化;火災特征;溫度;煙氣

                      參 考 文 獻

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                      • 李棗. 飛機火災事故分類模型的構建及應用[D]. 中國民用航空飛行學院, 2017.
                      • 胡軍鋒. 泄漏量對座艙壓力控制系統影響的研究[D].南京航空航天大學,2007.
                      • 魏曉永. 飛機座艙壓力調節系統仿真研究[D].南京航空航天大學,2012.
                      • 肖雋然. 飛機在高空飛行中的壓力、壓強研究[J]. 低碳世界, 2017(35).
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