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韩代椿，郑友兰，洪 彬，杨小龙
(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；
2.陆军装备部驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333002)
直升机的火灾隐患对直升机的安全具有重要影响。直升机动力舱灭火系统，航标HB7879-2008《直升机发动机舱灭火系统通用要求》规定：灭火系统的喷射，在其作用区的所有部分中形成的灭火剂体积浓度至少为6%(22%重量浓度)；
在正常巡航状态下，该浓度在其作用区的所有部分中应持续至少0.5 s的时间。在直升机灭火系统的设计中，需要进行灭火系统地面模拟试验来验证灭火效果。通过数值仿真技术进行动力舱灭火剂扩散仿真研究可以指导试验，减少试验成本和周期，同时为型号的改型和研制提供支撑。
目前国内外对飞行器灭火系统开展了大量研究工作，主要集中于固定翼飞机和船舶的灭火系统管网系统理论计算和动力舱灭火剂扩散模拟仿真。Elliot等人分析了不同管路以及喷嘴形状对释放过程的影响。邹蜀宁推导了非均衡管道系统的卤代烷1211喷射时间计算公式。宣扬等对比分析了分岔型喷嘴与直通型喷嘴对管网释放过程的影响。梁文剑等、胡博等、波音公司的Jeasoo Lee使用CFD技术仿真计算了民用固定翼飞机发动机舱灭火剂浓度场，计算结果与试验符合性较好。Zbeeb Khaled使用了FLUENT软件计算分析了流体速度、湍流强度以及液滴直径对动力舱灭火系统扩散过程的影响。本文研究直升机灭火系统，利用ICEM-CFD软件对直升机动力舱进行网格划分，通过FLUENT软件对直升机动力舱灭火剂雾化扩散过程进行仿真，分析三种通风量下灭火剂浓度的分布特性。
灭火剂从喷嘴释放后，在动力舱内的雾化混合和扩散是一个瞬态、复杂、多变的多相流过程。整个过程涉及灭火剂液体束的发展，液滴的破碎、碰撞与聚合，液滴的蒸发以及与空气的相互耦合等多个物理过程。在求解过程中，除基本控制方程外，需采用湍流方程模拟流体的湍流流动；
DPM模型模拟灭火剂液滴的发展变化过程；
组分输运方程模拟灭火剂在空气中的扩散及传输。
1.1 基本控制方程
无论多么复杂的流动都需遵从三个基本控制方程，分别为质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。数学表达式分别为：
质量守恒方程：
(1)
动量守恒方程：
(2)
能量守恒方程：
(3)
1.2 湍流方程
初始通风流场为定常流动，采用标准-湍流模型。该方程是使用频率最高的一种湍流模型，适合绝大多数的工程湍流模拟。表达式为：
(4)
(5)
动力舱灭火剂扩散过程为不定常流动，根据计算得到时间步长的数量级为10e-5，采用DPM模型，追踪的颗粒数达到百万量级，计算量大。为缩短仿真时间，采用S-A(Spalart-Allmaras)模型计算。S-A模型相对于两方程模型计算量小、稳定性好。该方程的形式如下：
(6)
1.3 DPM模型
DPM模型从流体质点出发，跟踪每个流体质点在流动过程中的每一时刻、每一位置的各个物理量及变化。DPM模型通过积分Lagrangian参考系下的分散相颗粒的运动方程计算其运动轨迹。由颗粒的惯性与受力平衡，写出分散相颗粒运动方程为(以直角坐标系内方向为例)：
(7)
1.4 组分输运模型
采用组分输运模型(Species Transport Model)来模拟灭火剂在空气中的扩散及传输。组分输运模型通用形式为：
(8)
2.1 模型简化
直升机动力舱外形由纵防火墙、动力平台、前后防火墙和动力舱整流罩等构成，舱内有发动机、大量管路、配线、附件和辅助装置，结构复杂。为减少计算量并提高计算的收敛性，需对动力舱几何模型进行简化。简化后的模型如图1所示。
图1 直升机动力舱简化模型
2.2 网格划分
液相灭火剂从喷嘴释放至动力舱会发生闪蒸现象，相变及传热传质剧烈，计算收敛困难，对网格质量要求较高。本文通过ICEM-CFD软件对直升机动力舱模型进行网格划分。动力舱结构复杂且不规则，采用非结构性四面体网格进行网格划分，使用密度盒(Mesh Density)对喷嘴区域进行局部加密。发动机和动力舱网格模型如图2和图3所示。初始流场所划分的网格数量为247万，网格质量在0.34以上，网格质量较高，可以满足计算要求。
图2 发动机面网格划分示意图
图3 动力舱网格模型示意图
直升机动力舱灭火剂扩散过程是灭火系统喷嘴喷射以及结束喷射后的舱内灭火剂动态扩散变化的过程，为不定常流动。对动力舱初始通风流场进行稳态分析，得到初始通风流场的流动特性，作为后续灭火剂雾化扩散过程瞬态分析的初始状态。
直升机动力舱发生火情时，为避免发动机不正常运转以及灭火过程产生复燃，该动力舱的发动机需在动力舱灭火系统释放前停车。为了模拟灭火系统释放过程中动力舱的真实通风状况，选用直升机处于单发停车状态下可能出现的通风量0.383 kg/s、0.575 kg/s和0.762 kg/s，作为初始通风流场的通风口边界条件，设置3个工况。初始通风流场边界条件设置如下：
1) 通风进气口边界条件：设置为质量流量入口边界，根据通风量分别设置进气质量流量为0.383 kg/s、0.575 kg/s和0.762 kg/s，入口压力设置为101325 Pa，进气方向与进气口曲面大致呈30°夹角，湍流强度5%，水力直径为0.1883 m。
2) 通风出气口边界条件：设置为压力出口边界，出口压力设置为101325 Pa，湍流强度5%，水力直径为0.4151 m。
在求解过程中选用了标准-湍流模型、标准壁面函数，并使用SIMPLEC算法进行求解计算，分别得到通风量为0.383 kg/s、0.575 kg/s和0.762 kg/s的工况下流线图，如图4所示。
图4 各个通风量下动力舱流场流线图
从流场流线来看，各个通风流量下的流线轨迹大体相似：通风气流先从通风口流向后防火墙；
小部分气流沿着动力平台到前防火墙并沿引射口从排气管排出；
大部分气流经后防火墙转向后绕着发动机作旋转流动，最后从排气管排出。这是由于发动机尾喷管与排气管之间具有两级引射口，在发动机停车状态下，尾喷管无气流，引射口前后基本无压差来带动舱内通风气流，通风气流需在舱内经过旋转流动调整方向从而通过引射口从排气管排出。舱内气流流速变化大：通风口、后防火墙附近区域及动力平台处流速较高；
动力舱其他区域流速较低；
排气管由于引射口的小孔流动流速稍微高一些。
以某型号直升机灭火系统为例，其灭火系统喷嘴布局如图5所示。从图中可以看出，发动机附件处离通风口较近，但形状不规则，且有较多间隙，流动受阻，导致流速分布不均。附件外部通风气流流速高，散热较好，着火隐患较低。附件间隙处流速低，且附件电器线路及燃、滑油管路较多，具有较高的着火隐患。可以看到，在发动机附件的上下区域分别布置了一个喷嘴，使灭火剂可以直接喷射到附件内部，其他向外扩散的灭火剂可以通过发动机附件的外部区域的高速气流迅速扩散到舱内。同时，发动机燃烧室及尾喷管区域温度较高，燃油如果泄漏极易引发火灾。通过在发动机燃烧室上下区域各布置一个喷嘴，绕发动机流动的通风气流以及向尾喷管流动的气流可以带动灭火剂在周边及尾喷管处形成较好的灭火剂浓度，达到灭火效果。因此该动力舱灭火系统喷嘴设计合理，可以有效地使灭火剂在动力舱内扩散并达到全淹没式覆盖。
图5 灭火喷嘴布局图
动力舱内部空间在处于初始通风流场的基础上，灭火剂从灭火系统喷嘴释放及后续雾化扩散的过程中，灭火剂体积浓度需满足航标、国军标和适航标准，作为灭火系统设计的标准评判。
本文通过FLUENT软件并基于DPM模型对灭火剂从灭火系统喷嘴释放及雾化扩散过程进行仿真研究。
某型直升机动力舱灭火系统喷嘴为等径直通型喷嘴。喷嘴选用solid-cone类型，喷射时间为0.976 s，出口边界条件分别为：
up-1：温度257 K，质量流量0.450 kg/s，出口速度38.7 m/s；
up-2：温度257 K，质量流量0.401 kg/s，出口速度34.5 m/s；
down-1：温度257 K，质量流量0.403 kg/s，出口速度40.3 m/s；
down-2：温度257 K，质量流量0.444 kg/s，出口速度38.2 m/s。
直升机动力舱易着火的区域大体可以划为两个：一个是发动机的附件机匣冷端区，该区域着火的可能原因是燃油或滑油的泄漏；
另一个是发动机燃烧室热端区，该区域温度高，燃油如果泄漏极易引发火灾。在易发生火灾的区域设置了12个监测点用来监测Halon1301灭火剂体积浓度，基本覆盖了发动机热端和其他易发生火灾的部位。监测点布局如图6所示。
图6 监测点布局图
动力舱灭火剂扩散过程为不定常流动，湍流方程选用的是S-A模型，组分输运模型选用Species Transport方程，并选用SIMPLEC方法进行求解，得到仿真结果。
不同通风量状态下监测点灭火剂浓度情况及变化曲线见图7以及表1。图7中红直线对应航标HB7879-2008要求的灭火浓度6%。
图7 各个通风量工况下监测点灭火剂浓度变化曲线图
表1 各个通风量工况下监测点灭火剂浓度情况
从图和表中可以看出各监测点的变化趋势是一致的：在灭火剂喷射过程中，灭火浓度逐渐增大，在灭火剂停止喷射时达到顶峰；
然后突然下降一定量，但基本上都位于6%浓度以上。同时可以看到，0.383 kg/s、0.575 kg/s和0.766 kg通风流量下的灭火剂体积浓度大于6%的持续时间分别为2.2 s、1.8 s和1.5 s，满足航标HB7879-2008的灭火剂体积浓度大于6%且持续时间大于0.5 s的浓度要求，说明符合设计要求。
为进一步对比分析，选取图中各个监测点达到航标要求的灭火浓度6%的持续时间，绘制不同通风量的对比图进行比较分析，如图8所示。其中0.383 kg/s通风流量下监测点07的灭火剂体积浓度有两段浓度大于6%的持续时间，间隔为0.1 s。为方便与其它工况进行对比分析，图中统计值为两段时间之和。
图8 各监测点灭火剂6%持续时间对比图
对比不同通风量工况下的各监测点灭火剂6%持续时间情况，通风量越低，各监测点保持灭火剂体积浓度6%的持续时间越长，且各监测点之间的灭火剂浓度6%持续时间长短关系不变，表明灭火剂在舱内的分布较为均匀，喷嘴设计合理。
本文针对某型直升机动力舱，进行了模型简化，采用ICEM-CFD进行非结构网格划分，使用FLUENT软件并基于DPM模型进行三种通风量状况下的灭火剂扩散仿真分析。动力舱灭火剂体积浓度仿真计算结果均满足航标HB7879-2008的灭火剂浓度要求。通风量减少。灭火剂体积浓度6%持续时间增长；
通风量增加，灭火剂体积浓度6%持续时间减少。灭火剂浓度变化趋势一致表明灭火系统喷嘴设计合理。该方法对其他型号的直升机灭火系统设计也具有参考价值。
