Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．８，２０１４ 基于Ｆｌｕｅｎｔ软件的某型飞机燃油箱 氧气浓度仿真分析 高广拓 （中国商飞上海飞机设计研究院，上海摘２０１２１０） 要：主要基于流体仿真软件Ｆｌｕｅｎｔ对某型飞机油箱内氧气分布进行了三维非定常计算。采用标准ｋ一８湍流模型、 有限体积法离散方程，并采用分离式求解器、ＳＩＭＰＬＥ算法耦合求解速度、压力；压力项离散采用ＰＲＥＳＴＯ！格式；其他方 程对流项采用一阶迎风格式。利用这种建模和分析方法可以对燃油箱内的氧气分布和充氮过程进行较好的分析，同时 也可为系统改进和优化设计提供新的思路和方法。 关键词：飞机燃油箱；氧气浓度；有限体积法；Ｆｌｕｅｎｔ 中图分类号：Ｖ２３３．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ６７２—５４５Ｘ（２０１ ４）０８—０１ ２２—０３ 飞机燃油箱内因雷电、静电火花、摩擦火花等特 １ 数学模型与数值模拟 殊风险或失效状态，极易引燃飞机油箱起火而发生 灾难性爆炸，造成严重的后果。根据ＦＡＡ发布的修正 案２５—１２５，控制燃油箱内的每个隔间中的平均氧气 １．１数学模型 本文研究对象为可压湍流，在三维直角坐标系 浓度值小于或等于１２％时，就可认为燃油箱处于不 下，其运动规律可用Ｎ—ｓ方程来描述。计算模型所使 易燃的状态。普遍的方法是通过在飞机燃油箱内注 用的方程如下： 入惰性气体（通常选用氮气），使飞机油箱上部空间 氧浓度，在整个飞行过程中始终保持低于支持燃油 等＋△（ｐ ）＝∑ （１） 燃烧所需要的氧浓度水平（即低于ｌ２％），以此来保 障飞机油箱的安全性。 妲＋Ｏｔ 虹＝蚤＋去（ａｔ 如 Ｏｘ Ｏ 等）ｘ ＋脂＋Ｆ（、 ２） 目前，对于燃油箱内的氧气浓度的分析以及对 充氮管路布置的合理性的研究，较多的采用了试验 的手段。然而试验作为研究的重要方法，存在费用 警＋ 等 去ｃ 毒 ｃ等＋等 等 一ｐ ＋ （３） 高、周期长、测量精度和手段有限，以及试验模型和 实际问题的等效性难以确定等局限性。因此可以运 用成熟的ＣＦＤ手段，针对各种传热与流动问题的专 业ＣＦＤ模型越来越丰富完善，模拟结果越来越接近 警＋ 警＝毒（ 等） ｋｂ＇ｔ（等＋等） 一 Ｕ＿＾ｉ Ｐ｝＋ （４） ＋ 真实，结果具有很高的可信度。 因此本文主要结合Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ￣ 】一维系统仿真计 算的结果作为三维计算的边界条件，使用商用软件 Ｆｌｕｅｎｔ建立三维几何模型与网格，对某型飞机翼 等＋鲁（ 警 Ｑ （５） （６） 由于等温流动不必求解温度场，其方程从略。 ｔｘｅ＃＝ＧⅡｐｋ ／８ 其中， Ｐ为流体密度； Ｑｉ为流量； 油箱建立了仿真模型进行三维非定常计算，对燃油 箱内的氧气浓度进行仿真分析，并对油箱内充氮管 路布置的合理性进行验证。 地． ，为脉动速度分量； 为动力粘度； 收稿日期：２０１４—０５—０１ 作者简介：高广拓（１９８Ｏ一），男，河北省沧县人，硕士研究生，工程师，主要从事民用飞机燃油系统设计研发。 １２２ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．８，２０１４ 综合上述浓度随时间的变化图可以看出，在ｌ５ 的沉降氧气组分，减弱重组分重力沉降效应的影响［４１。 分钟以内，燃油箱的大部分空间充氮已经完成；初始 （２）存在局部空间的流动死区，应在此局部空间 时，充氮过程主要受气体流动控制。经过约１５分钟 增加此部分送风口或重新设置导流挡板（与开口）， 以后，充氮过程主要受分子扩散控制，然而局部流动 尽量避免流动死区。 死区的空间需要几倍的时间才能彻底完成。 由于本文的仿真为假定在飞机油箱内燃油仅为 ３结束语 ５％情况，而通常飞机在实际飞行过程中燃油量要远 大于５％，相对的气相空间会更小，因此通过充入氮 本文使用商用软件Ｆｌｕｅｎｔ对某型飞机油箱建立 气降低氧气浓度的效果会更好，氧气浓度降到１２％ 了仿真模型并进行三维仿真计算，得到了燃油箱内 所用的时间会更短，可以基本满足使飞机油箱上部 的最大氧气浓度和平均氧气浓度分布。通过分析，仿 空间氧浓度，在整个飞行过程中始终保持低于支持 真结果较为合理，证明了设计的正确性，并根据仿真 燃油燃烧所需要的氧浓度水平（即低于１２％），从而 结果分析了设计中存在的不足，需进一步优化。仿真 保障了飞机油箱的安全性。 模型最终还需要通过试验数据进行确认，以进一步 基于Ｆｌｕｅｎｔ软件通过对某机型油箱氧气浓度、 优化仿真模型。 充氮过程及氮气的流动信息的数值仿真，得到了相 利用这种建模和仿真分析方法，可以在飞机设 关数据和细节信息，其结果表明在ｌ５分钟以内燃油 计之初为系统设计提供理论指导，在飞机设计中可 箱的大部分空间充氮已经完成。通过对结果的合理 以大大降低设计时间和试验成本，不失为一种有效 分析，验证了油箱内充氮管路设计的正确性。 但通过对流动过程的观察也发现了存在设计不 而又简便快捷的方法。 参考文献： ［１】Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ Ｇｒｏｕｐ ＢＶ．Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｔｄ Ｃｏｍｐａｎｙ． Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖ７．０【Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ Ｅｎｇｌａｎｄ，Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｔｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，２００６． 足，如油箱设计存在氮气分配的死区，因此可以根据 仿真结果近一步优化如优化油箱内腹板上的开孔位 置、尺寸以满足氮气分配的要求。从气路上考虑，可 改善相应的管道进出口布局，加速充氮过程。 通过对氧气浓度分布场的分析，其可能产生的 【３］沈艳涛．毒性重气泄漏扩散ＣＦＤ模型与风险分析［Ｄ］，华东 原因如下，并可对设计进行如下的优化： 理工大学博士论文，２００７． ［２】ｎｕｅｎｔ Ｉｎｃ．ＦＬＵＥＮＴ Ｕｓｅｒ。Ｓ Ｇｕｉｄｅ［Ｍ］．ＵＳＡ：Ｆｌｕｅｎｔ Ｉｎｃ，２００３． （１）重力对流动有一定的影响，因此可将所有内 部送风口应朝下或斜向朝下，以此强制置换接近地面 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｏｘｙｇｅｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｉｒｐｌａｎｅ ｉｎ Ｆｕｅｌ Ｔａｎｋ Ｂａｓｉｎｇ ０ｎ Ｆｌｕｅｎｔ ＧＡＯ Ｇｕａｎｇ－ｔｕｏ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ－Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ ｆｏｒ ａｉｒｐｌａｎｅ ｉｎ ｆｕｅｌ ｔａｎｋ ｖｉａ ３Ｄ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｎｕｍｅｒａｔｉｏｎ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ Ｆｌｕｅｎｔ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｋ一￡ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ，ｆｉｎｉｔｙ ｖｏｌｕｍｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｉｓｐｅｒｓｅ ｔｈｅ ｅｑｕａｆｉｏｎ，ｕｓｉｎｇ ｓｅｐａｒａｔｅ ｓｏｌｖｅ，ＳＩＭＰＬＥ ａｒｉｈｍｅｔｔｉｃ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｕｓｉｎｇ ＰＲＥＳＴＯ！ｆｏｒｍａｔ ｔｏ ｄｉｓｐｅｒｓｅ ｈｅ ｔｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｔｅｍ，ａｎｄ ｆｏｒ ｏｔｈｅｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｈｅ ｆｔｉｒｓｔ ｏｒｄｅｒ ｕｐｗｉｎｄ ｆｏｒｍａｔ．Ｃｏｍｐｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ Ｃａｎ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｏｘｙｇｅｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｄ ａｉｎｅｒｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｅｔｔｅｒ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｎｅｗ ｐａｔｈｓ ｓａｎｄ ｍｅａｎｓ ｏｒｆ ｉｍｐｒｏｖｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｈｅ ｔｄｅｓｉｎ．ｇ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｉｐｌｒｎｅ ａｆｕｅｌ ｔａｎｋ；ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｙ ｖｏｌｕｍｅ ｍｅｔｈｏｄ；ｆｌｕｅｎｔ １２４
