本發(fā)明涉及飛機(jī)安全性能設(shè)計(jì)，特別涉及一種飛機(jī)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

考慮到飛機(jī)一旦發(fā)生火情，在無法有效滅火或者控制火情蔓延情況下會(huì)引起災(zāi)難性事故。因此，為了摸清飛機(jī)在不同狀態(tài)、不同滅火條件下發(fā)生火災(zāi)的溫度場分布等火情數(shù)據(jù)，為某些重要系統(tǒng)的高溫防護(hù)提供設(shè)計(jì)輸入，需開展飛機(jī)火災(zāi)情況分析研究。

目前的飛機(jī)火災(zāi)研究多為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。但是，該火災(zāi)試驗(yàn)只是針對(duì)飛機(jī)的部分區(qū)域(如發(fā)動(dòng)機(jī)艙)，并沒有做過整機(jī)火災(zāi)試驗(yàn)；另外，超大規(guī)模的火災(zāi)試驗(yàn)需要建造大型的試驗(yàn)場地以及完整飛機(jī)模型等相關(guān)設(shè)施，還需要大量的人員、時(shí)間，且危險(xiǎn)性很大；再有，為得到真實(shí)的火情數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行多次復(fù)雜試驗(yàn)以作對(duì)比，實(shí)驗(yàn)難度大，條件苛刻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供了一種飛機(jī)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算方法，以至少解決現(xiàn)有飛機(jī)火災(zāi)研究方法中存在的至少一個(gè)問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種飛機(jī)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算方法，包括如下步驟：

步驟一、對(duì)飛機(jī)幾何模型進(jìn)行簡化，并建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；

步驟二、選取約束條件，其中，所述約束條件包括：

著火點(diǎn)的位置；

可燃物的種類、數(shù)量及分布；

外部環(huán)境；

步驟三、對(duì)步驟一中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三的結(jié)果，并通過湍流燃燒模型法、熱輻射模型法以及蒸氣云爆炸超壓計(jì)算tnt當(dāng)量法來進(jìn)行仿真模擬，得到飛機(jī)發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙霧場、溫度場及燃油蒸汽爆炸情況。

可選的，在所述步驟一的飛機(jī)幾何模型進(jìn)行簡化步驟中，是忽略機(jī)體內(nèi)安裝的管路、非金屬元件以及輔助構(gòu)件，并保持外部模型與飛機(jī)實(shí)物設(shè)計(jì)一致。

可選的，在所述步驟一中，所述幾何模型包括：

機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、左右發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、輔助動(dòng)力裝置艙、平尾以及垂尾；

由梁、長絎和肋構(gòu)成的飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)，且外部包有蒙皮。

可選的，所述飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)和蒙皮均為鋁合金。

可選的，所述步驟二中的著火點(diǎn)的位置分別是前油箱艙、后油箱艙、左發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、右發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、左機(jī)翼、右機(jī)翼和輔助動(dòng)力裝置艙；

所述步驟二中的可燃物為航空煤油rp-3，分布在機(jī)身及機(jī)翼各油箱內(nèi)；

所述步驟二中的外部環(huán)境為常溫、常壓、風(fēng)速為零的機(jī)場。

可選的，在所述步驟四中，還包括采用熱解模型法對(duì)所述熱輻射模型法得到的溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

發(fā)明效果：

本發(fā)明的飛機(jī)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算方法，模擬計(jì)算能夠快速得到可靠地?cái)?shù)據(jù)，對(duì)飛機(jī)火災(zāi)的影響及防護(hù)提出指導(dǎo)性意見，并且節(jié)約成本，還能避免危險(xiǎn)及污染。

附圖說明

圖1是本發(fā)明直升機(jī)使用維修保障一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明飛機(jī)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算方法做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種飛機(jī)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算方法，可以包括如下步驟：

步驟一、對(duì)飛機(jī)幾何模型進(jìn)行簡化，并建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型(其中包括長度、形狀、材料等)。

飛機(jī)機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較多，形狀復(fù)雜，在本優(yōu)選實(shí)施例中，飛機(jī)幾何模型可以包括：

機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、左右發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、輔助動(dòng)力裝置艙、平尾以及垂尾，且輔助動(dòng)力裝置裝在機(jī)身尾部。另外，飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)為鋁合金，主要由梁、長絎和肋構(gòu)成，外部包有蒙皮；其中梁、長絎和肋由不同規(guī)格的鋁合金型材構(gòu)成，蒙皮為不同厚度的鋁合金板材。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，也可以根據(jù)需要設(shè)置更多的幾何模型，不再贅述

另外，對(duì)飛機(jī)幾何模型可以根據(jù)需要進(jìn)行適合的簡化，本實(shí)施例中，是忽略機(jī)體內(nèi)安裝的管路、非金屬元件以及輔助構(gòu)件，并保持外部模型與飛機(jī)實(shí)物設(shè)計(jì)一致。

進(jìn)一步，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要具體的參數(shù)，例如長度、形狀、材料等；本實(shí)施例中，飛機(jī)機(jī)頭、機(jī)身可看成圓柱形，最大外徑為ф2.5m；左、右發(fā)動(dòng)機(jī)短艙安裝在機(jī)身中段，長度為12.5m，最大外徑為ф1.8m；機(jī)翼最大厚度為1.77m。

步驟二、選取約束條件，其中，約束條件包括：

2.1)、著火點(diǎn)的位置；本實(shí)施例中，根據(jù)飛機(jī)總體布局及各區(qū)域功能的不同，可將飛機(jī)可分為七個(gè)火區(qū)，分別是前油箱艙、后油箱艙、左發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、右發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、左機(jī)翼、右機(jī)翼和輔助動(dòng)力裝置艙。進(jìn)一步，根據(jù)所劃分的七個(gè)火區(qū)(參見圖1中所示的1～7七個(gè)點(diǎn))，每個(gè)火區(qū)的大小、燃燒物種類及分布，以及飛機(jī)日常使用維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在每個(gè)火區(qū)選取一個(gè)著火點(diǎn)。

2.2)、可燃物的種類、數(shù)量及分布；本實(shí)施例中，飛機(jī)主要燃燒物為航空煤油rp-3，分布在機(jī)身及機(jī)翼各油箱內(nèi)。

具體地，rp-3燃油(gb6537-2006)由烷烴-環(huán)烷烴、芳香烴和烯烴等組成；元素組成碳(c)：85.5％～86.6％，氫(h)：14.4％～15.5％；密度：0.778kg/m³(20℃)；閃點(diǎn)不低于38℃；露天燃燒溫度：260℃～315℃；低燃燒熱不小于42800kj/kg；無煙火焰高度不小于25mm。

2.3)、外部環(huán)境；本實(shí)施例中，選取更貼合實(shí)際的場景，選常溫、常壓、風(fēng)速為零的機(jī)場作為火災(zāi)發(fā)生地。

步驟三、對(duì)步驟一中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

具體地，采用計(jì)算熱物理中熱過程的描述方程，對(duì)象空間依節(jié)點(diǎn)步長劃分為多個(gè)細(xì)小網(wǎng)格?？臻g步長越細(xì)，模擬結(jié)果越精確，同時(shí)服務(wù)器的計(jì)算量會(huì)越大。若空間步長過小，則模擬結(jié)果誤差增大，計(jì)算結(jié)果可信度降低。因此需要確定一個(gè)合理的網(wǎng)格尺寸來滿足模擬計(jì)算要求。

網(wǎng)格步長尺寸應(yīng)依火災(zāi)特征直徑d*設(shè)定，特征火源直徑其計(jì)算公式如下：

其中：

d*——火源特征直徑，(m)；

q——熱釋放速率，(kw)；

ρ∞——環(huán)境空氣密度，(kg/m³)；

cp——環(huán)境空氣比熱容，(kj/kg·k)；

t∞——環(huán)境溫度，(k)；

g——重力加速度，(m/s²)。

另外，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)d*/d取值范圍為4-16時(shí)，可獲得較為滿意的計(jì)算精度和計(jì)算耗時(shí)。根據(jù)本文設(shè)定的火源功率，火源特征d*采用大氣環(huán)境參數(shù)計(jì)算，得到其計(jì)算值為7，計(jì)算得出網(wǎng)格尺寸在0.43-1.75之間，為了達(dá)到更高的計(jì)算精度，本項(xiàng)目的數(shù)值模型空間步長取0.1米，最終整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)總網(wǎng)格數(shù)大于175萬。

步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三的結(jié)果，并通過湍流燃燒模型法、熱輻射模型法以及蒸氣云爆炸超壓計(jì)算tnt當(dāng)量法來進(jìn)行仿真模擬，得到飛機(jī)發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙霧場、溫度場及燃油蒸汽爆炸情況。

4.1)、湍流燃燒模型法如下：

燃燒模型使用一種能夠計(jì)算自然耗氧量并解析常數(shù)標(biāo)量方程的綜合方法對(duì)可燃物中任一部位氣態(tài)物質(zhì)的狀態(tài)比例進(jìn)行計(jì)算和分析。湍流燃燒模型可劃分為混合組分燃燒模型和有限化學(xué)反應(yīng)速度模型?；旌辖M分燃燒模型的燃燒反應(yīng)公式可簡化為：

在模擬火災(zāi)場景中，火災(zāi)熱效應(yīng)通過混合組分燃燒模型求解，有限化學(xué)反應(yīng)模型求解火災(zāi)中生成的煙霧和co2、co、煙霧等氣體的濃度。通常油品等碳?xì)浠衔锖喕蟮娜紵綖椋?/p>

其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率為：

其中，v為化學(xué)反應(yīng)系數(shù)；b為活化能反應(yīng)指前因子；e為反應(yīng)的活化能；a、b為反應(yīng)量級(jí)；r為氣體常數(shù)；t為絕對(duì)溫度；[cxhy]為反應(yīng)物的濃度；[o2]為氧氣濃度。

4.2)、熱輻射模型法如下：

在熱輻射的計(jì)算中，基于對(duì)無散射灰體氣體的輻射傳遞方程(radiationtransmittalequation)進(jìn)行修正后的有限容積法就是火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件使用的計(jì)算方法。在熱輻射方程中，熱輻射強(qiáng)度這個(gè)數(shù)值與波長有關(guān)，其求解運(yùn)算方法與有限容積法相似。熱輻射求解采用的無散射輻射傳遞方程為：

式中為源項(xiàng)，為熱輻射強(qiáng)度矢量，為吸收系數(shù)。

在火災(zāi)數(shù)值模擬中，為更好地減少光譜相依性的影響，將熱輻射光譜進(jìn)行細(xì)分并計(jì)算出第個(gè)細(xì)分波段的熱輻射傳遞方程。波段的熱輻射傳遞方程為：

式中in為第n個(gè)波段的熱輻射強(qiáng)度，kn為所在波段的吸收系數(shù)；為波長λ的輻射強(qiáng)度；為定值。

4.3)、蒸氣云爆炸超壓計(jì)算tnt當(dāng)量法如下：

當(dāng)燃油箱發(fā)生泄漏事故時(shí)，可燃物與空氣混合，此時(shí)若達(dá)到爆炸極限，遇到火源便發(fā)生爆炸，在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出大量的能量。爆炸是一種劇烈的物理及化學(xué)變化過程。燃油箱泄漏事故后果模型分多種，包括爆炸沖擊波超壓、火災(zāi)熱輻射等。其中，爆炸沖擊波超壓破壞作用最強(qiáng)，危害最大，影響范圍最廣。

定量分析爆炸沖擊波的傷害破壞作用，先要確定爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓與爆炸能量間的關(guān)系，進(jìn)而分析不同爆炸情形下產(chǎn)生的能量及傷害破壞作用。

梯恩梯(tnt)當(dāng)量法屬于傷害(或破壞)范圍評(píng)價(jià)法，是蒸氣云和爆炸模擬方法中的典型模型，評(píng)價(jià)結(jié)果直觀、可靠。其評(píng)價(jià)結(jié)果可用于危險(xiǎn)分區(qū)，也可用于進(jìn)一步計(jì)算傷害區(qū)域內(nèi)的人員及其人員的傷害程度、破壞范圍內(nèi)物體損壞程度和直接經(jīng)濟(jì)損失。蒸氣云的tnt當(dāng)量公式：

式中：

蒸氣云的tnt當(dāng)量系數(shù)，取值范圍為0.02-14.9％；

wtnt-蒸氣云的tnt當(dāng)量，kg；

wf-蒸氣云中燃料的總質(zhì)量，kg；

qf-燃料的燃燒值，kj/kg；

qtnt-tnt的爆熱，qtnt＝(4.12～4.69)×103kj/kg。

蒸氣云爆炸后引起沖擊波作用，在一定范圍內(nèi)導(dǎo)致肺出血造成0.5的死亡概率。它的范圍公式為：

計(jì)算tnt炸藥爆炸的模擬比是計(jì)算實(shí)際tnt當(dāng)量沖擊波超壓值的前提。

式中：

r-目標(biāo)與爆炸中心距離，m；

r1000-目標(biāo)與1000kgtnt爆炸中心的相當(dāng)距離，m；

αtnt1000-tnt炸藥爆炸與1000kgtnt爆炸試驗(yàn)的模擬比。

爆炸沖擊波超壓的計(jì)算公式為：

δp(r)＝δp1000(r1000/αtnt1000)；

式中：

δp-實(shí)際tnt當(dāng)量的爆炸沖擊超壓，mpa；

δp1000-1000kgtnt當(dāng)量的爆炸沖擊波差壓，mpa。

進(jìn)一步，本發(fā)明的飛機(jī)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算方法，在步驟四中，還包括采用熱解模型法對(duì)所述熱輻射模型法得到的溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。其中，熱解模型則采用木材熱解模型。求解fds偏微分方程組的核心算法是一種顯式的預(yù)測-糾錯(cuò)的方法，時(shí)間和空間的精度為二階。

本發(fā)明的飛機(jī)火災(zāi)數(shù)值模擬計(jì)算方法有益效果如下：

第一，節(jié)省時(shí)間。模擬計(jì)算在短時(shí)間內(nèi)就能得到可靠地?cái)?shù)據(jù)，對(duì)飛機(jī)火災(zāi)的影響及防護(hù)提出指導(dǎo)性意見。

第二，節(jié)約成本。模擬計(jì)算無需大型的試驗(yàn)場地、設(shè)備、整機(jī)模型以及相關(guān)試驗(yàn)人員，只需建立飛機(jī)數(shù)字模型、查閱相關(guān)資料、選取合適算法和幾臺(tái)計(jì)算機(jī)以及少量相關(guān)科研人員，就可以得出有效地結(jié)論。

第三，避免危險(xiǎn)及污染?；馂?zāi)試驗(yàn)室一種很危險(xiǎn)的試驗(yàn)，燃燒的不可控性、產(chǎn)生的有毒氣體、大量的熱以及隨時(shí)可能發(fā)生的爆炸，都會(huì)對(duì)現(xiàn)場設(shè)施及人員產(chǎn)生危害，并不可避免的會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。而模擬計(jì)算則完全避免了此類情況的發(fā)生。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。