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燃油箱惰化系统的数值研究

作　者: 黄光容
导　师: 汪箭
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 当量比数值模拟燃烧惰化航空煤油双区域模型
分类号: V228.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

燃油箱安全是整个飞机安全的重要保障,然而在飞机燃油箱中存在航空煤油(燃料)、氧气和各种形式的点火源,航空煤油的液体蒸汽可能在氧气的支持下,点火源的作用下发生燃烧或是爆炸。首先,本文根据燃烧三角形中燃料、氧化剂和点火源这三个基本要素,具体到航空煤油的闪点、蒸汽压力和燃烧极限,氧气在飞机航行包线内的浓度分布情况,和燃油箱中可能存在的点火源,综合分析了燃油箱中存在的火灾危险性;其次,本文利用不同当量比下的氢气和氧气的预混气体在封闭空间的燃烧过程,进行了CFD方法在模拟封闭空间的预混气体燃烧当中的适用性研究,通过跟前人的计算结果进行比较,发现利用CFD方法中的k-ε湍流模型和有限速率燃烧模型可以很好地模拟出可燃气体混合物燃烧过程的温度、压力等参数。接着,利用CFD方法对飞机燃油箱内航空煤油蒸汽和氧气的预混气体在高温点火源的作用下的燃烧过程进行了数值模拟,并改变航空煤油蒸汽在空间中的当量比,飞机飞行过程中环境的压力,以及航空煤油和空气混合物中氮气的浓度等条件,归纳出不同情况下燃烧过程的温度、压力等参数的变化规律;航空煤油蒸汽和氧气预混气体的燃烧对燃油箱的安全存在极大的威胁,而预防燃烧的方式之一便是对燃油箱通入富氮气体进行惰化,使空间中的氧气浓度处于极限氧气浓度之下。本文对惰化过程进行了数值模拟,并将模拟结果与前人的理想混合模型和经验公式进行了比较;并设计了一系列的算例,比如富氮气体的属性参数(NEA气体的流量和纯度),燃油箱的属性参数(燃油箱的形状和体积),以及喷嘴的属性参数(喷嘴的放置位置和喷嘴的直径),找到了这些参数的变化对燃油箱的惰化过程的影响,得到了影响燃油箱惰化过程的最主要的几个参数。最后,影响惰化过程的参数主要有富氮气体的流量、纯度和喷嘴直径,而理想混合模型并没有包含喷嘴直径变化对惰化过程的影响,所以本文进行了喷嘴的直径对惰化过程影响的定量分析,并根据不同雷诺数下燃油箱中的氧气浓度的分布情况提出双区域模型的思想,并结合CFD的计算结果建立了适用于不同雷诺数下的双区域模型,完善了理想混合模型。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第1章绪论  11-20
  1.1 研究背景和意义  11-17
  1.2 研究现状  17-19
    1.2.1 国内外研究进程  17
    1.2.2 国内外研究内容  17-18
    1.2.3 研究的不足  18-19
  1.3 本文研究内容  19-20
第2章飞机燃油箱可燃性分析  20-29
  2.1 燃烧三角形  20
  2.2 航空煤油的属性  20-25
    2.2.1 闪点  21-22
    2.2.2 蒸汽压力  22-24
    2.2.3 燃烧极限  24-25
  2.3 点火源的种类和形式  25-27
    2.3.1 着火分类  25-26
    2.3.2 着火条件  26
    2.3.3 燃油箱中的点火源  26-27
  2.4 氧气  27-28
  2.5 小结  28-29
第3章 CFD 方法的适用性分析.  29-35
  3.1 CFD 数值方法  29-30
    3.1.1 流体动力学模型  29
    3.1.2 燃烧模型  29-30
  3.2 CFD 方法在燃油箱中预混燃烧过程中的适用性分析  30-34
    3.2.1 计算区域及初始边界条件  31
    3.2.2 当量比  31-33
    3.2.3 计算结果分析  33-34
  3.3 小结  34-35
第4章航空煤油在燃油箱中的燃烧过程模拟  35-54
  4.1 燃烧过程设置  35-37
    4.1.1 计算区域及初始边界条件  35-36
    4.1.2 航空煤油当量比  36-37
  4.2 航空煤油燃烧过程模拟  37-52
    4.2.1 不同当量比(φ)  37-43
    4.2.2 不同压力(P)  43-50
    4.2.3 不同氮气浓度  50-52
  4.3 小结  52-54
第5章影响燃油箱惰化系统的参数分析  54-71
  5.1 燃油箱惰化过程分析  54-57
    5.1.1 研究系统  54-55
    5.1.2 网格独立性分析  55-57
  5.2 理想混合模型简介  57-58
  5.3 影响燃油箱惰化系统的参数分析  58
  5.4 NEA 气体属性对燃油箱惰化过程的影响  58-62
    5.4.1 NEA 气体的纯度变化  58-60
    5.4.2 NEA 气体流量变化  60-62
  5.5 燃油箱容器属性对燃油箱惰化过程的影响  62-65
    5.5.1 容器形状  62-63
    5.5.2 燃油箱的体积不同时  63
    5.5.3 燃油箱体积和流量成比例变化时  63-64
    5.5.4 出气口直径  64-65
  5.6 喷嘴属性对燃油箱惰化过程的影响  65-70
    5.6.1 喷嘴位置  65-68
    5.6.2 喷嘴喷口直径  68-70
  5.7 小结  70-71
第6章新发展的双区域模型  71-82
  6.1 理想混合模型的缺点  71-74
  6.2 双区域模型思想  74-75
  6.3 混合系数确定  75-77
  6.4 与其他模型的比较  77-78
  6.5 双区域模型的验证  78-80
  6.6 小结  80-82
第7章结论与展望  82-84
  7.1 结论  82-83
  7.2 创新点  83
  7.3 进一步工作展望  83-84
参考文献  84-88
附录A  88-90
致谢  90-91
在读研期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  91

燃油箱惰化系统的数值研究

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