劉明輝，王玖，陳曉峰，熊雅晴，劉忠

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，成都 610092)

0 引 言

1999年，美國(guó)頒布了關(guān)于對(duì)飛機(jī)雷電防護(hù)問(wèn)題的研究報(bào)告[1]，其中分析了成功應(yīng)用機(jī)載火焰抑制器的例子；同年，美國(guó)海岸警備隊(duì)對(duì)火焰抑制器測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了完整的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[2]；美國(guó)Parker公司還開(kāi)發(fā)了精確預(yù)測(cè)空氣和燃料流量通過(guò)機(jī)載火焰抑制器壓力降的計(jì)算程序，并建立了相應(yīng)的火焰抑制測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。

事實(shí)上，當(dāng)前無(wú)論是軍機(jī)還是民機(jī)，國(guó)外都普遍采用了火焰抑制器，以防止由于外部火源引發(fā)的油箱燃燒和爆炸，同時(shí)，應(yīng)運(yùn)而生了多家機(jī)載火焰抑制器生產(chǎn)或供應(yīng)廠(chǎng)商，例如美國(guó)Parker公司、Enardo公司等。從可查閱到的資料來(lái)看，美國(guó)還建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)規(guī)范[4]。

國(guó)內(nèi)，由于煉油、油品儲(chǔ)運(yùn)、煤礦等行業(yè)的需要，火焰抑制器也得到了廣泛應(yīng)用，并提出了多個(gè)有關(guān)火焰抑制器生產(chǎn)、檢測(cè)及應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)標(biāo)(例如GB5908-2005[5]、 GB/T13347-2010[6]等)。但針對(duì)航空領(lǐng)域而言，雖然從飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與適航認(rèn)證要求等方面考慮都必須安裝此類(lèi)裝置，但苦于無(wú)相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品可供選擇，目前國(guó)內(nèi)軍機(jī)燃油通氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)普遍未安裝火焰抑制器，而民機(jī)，例如新舟系列、蛟龍600、C919等則直接選購(gòu)國(guó)外成品。

對(duì)于一個(gè)給定的機(jī)載火焰抑制器，應(yīng)考慮流經(jīng)它的流體所產(chǎn)生的壓力降，對(duì)格孔大小做適當(dāng)?shù)剡x擇，既要使其換熱面積最大，又要使流體壓力降最小。關(guān)于機(jī)載火焰抑制器壓力降的計(jì)算，國(guó)內(nèi)外通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)了許多經(jīng)驗(yàn)公式[7-10]，但是由于機(jī)載火焰抑制器工作環(huán)境的特殊性，且流體介質(zhì)的密度和粘度也隨著外界大氣環(huán)境不斷變化，流體的壓力降和流速之間不能用簡(jiǎn)單的流體阻力函數(shù)關(guān)系表達(dá)。因?yàn)榕c實(shí)際情況易出現(xiàn)偏差，將會(huì)給裝置的運(yùn)行帶來(lái)隱患。

為了弄清楚流體流經(jīng)機(jī)載火焰抑制器時(shí)產(chǎn)生壓力降的原因，并尋求簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，本文首先就壓力降的產(chǎn)生原因進(jìn)行理論分析，并以流體的實(shí)際流量和機(jī)載火焰抑制器阻火芯的幾何參數(shù)為條件，導(dǎo)出壓力降計(jì)算公式，再將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較；然后根據(jù)某型機(jī)載火焰抑制器設(shè)計(jì)技術(shù)要求，探討所設(shè)計(jì)的機(jī)載火焰抑制器結(jié)構(gòu)參數(shù)是否滿(mǎn)足壓力降的要求，并分析各個(gè)因素對(duì)壓力降的影響。

1 火焰抑制器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 火焰抑制器的結(jié)構(gòu)

火焰抑制器結(jié)構(gòu)外形如圖1所示，可以看出：火焰抑制器是由殼體、阻火單元、連接法蘭、接管、密封圈組成的，其中阻火單元是其核心，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)于火焰抑制器設(shè)計(jì)而言，其主要工作是確定阻火單元的結(jié)構(gòu)形狀與特征尺寸[11]。目前，阻火單元通道的結(jié)構(gòu)形狀主要有三角形、蜂窩六邊形、錯(cuò)位六邊形等。其中，三角形結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：制造精度高，既可用以抑制爆燃也可用以抑制爆轟，自由面積可達(dá)80%～90%，空隙率大，且是平行的三角形直通道，相對(duì)于其他抑制單元結(jié)構(gòu)而言，其流動(dòng)阻力小，壓力降低。

圖1 火焰抑制器外形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Flame arresterr outline structure diagram

圖2 阻火單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Flame arrester element structure diagram

1.2 火焰抑制器的工作原理

阻火單元將管道截面分割成多個(gè)直徑足夠小的通道，當(dāng)火焰在這些狹小的通道中運(yùn)動(dòng)一段距離之后就會(huì)熄滅，稱(chēng)為淬熄。能夠使火焰產(chǎn)生淬熄的狹小通道直徑存在一個(gè)上限值，稱(chēng)為最大淬熄直徑(簡(jiǎn)稱(chēng)淬熄直徑d)；火焰進(jìn)入狹小通道后直至熄滅所通過(guò)的距離L稱(chēng)為淬熄長(zhǎng)度。通常，d越小越容易使火焰淬熄，但d過(guò)小或L過(guò)大都將會(huì)帶來(lái)較大的流動(dòng)阻力。

2 壓力降原理分析

流體流動(dòng)所產(chǎn)生的壓力降與通道長(zhǎng)度及其幾何形狀有關(guān)。流經(jīng)火焰抑制器時(shí)，一般會(huì)在阻火芯體進(jìn)口處發(fā)生流動(dòng)收縮，而在出口處發(fā)生流動(dòng)膨脹。這種突然的流動(dòng)收縮和膨脹，會(huì)引起附加的流體壓力損失，且流體流經(jīng)芯體時(shí)有摩擦損失。這些損失的總和，構(gòu)成了流體的總壓力損失或者總壓力降，其大小標(biāo)志著火焰抑制器的阻力特性(流通性能)。其流程的壓力降如圖3所示。

圖3 火焰抑制器阻火芯的進(jìn)出口以及體內(nèi)的壓力變化Fig.3 Flame arrester element import and export as well as the body pressure changes

流體由截面1-1流入截面a-a時(shí)的壓力損失由兩部分組成：(1)由于孔隙具有一定的壁厚，使得流通斷面減小且形狀亦發(fā)生變化，必然導(dǎo)致流體速度的變化，此時(shí)流體動(dòng)能的增加引起壓力損失，是壓力能與動(dòng)能之間的能量轉(zhuǎn)換；(2)由于突縮段不可逆自由膨脹引起的壓力降低。

同樣，流體由截面b-b流入截面2-2的出口壓力回升也分成兩部分：(1)在其出口處由于流體的突然擴(kuò)張, 流動(dòng)速度減緩, 致使一部分動(dòng)壓頭轉(zhuǎn)換為靜壓頭, 此時(shí)靜壓力出現(xiàn)回升；(2)由于突擴(kuò)段不可逆自由膨脹和動(dòng)量變化引起的壓力損失。

流體沿著波紋孔通道繼續(xù)向前流動(dòng)的過(guò)程中，由于流體本身的粘性, 以及其與通道內(nèi)壁的摩擦而進(jìn)一步產(chǎn)生壓力降，稱(chēng)之為波紋孔通道壓力降，并以Δpc表示。如果流體流動(dòng)屬于層流狀態(tài)，則Δpc與流動(dòng)速度成線(xiàn)性比例關(guān)系。

3 壓力降計(jì)算公式的推導(dǎo)

文獻(xiàn)[12]中給出了壓力降的綜合表達(dá)式：

式中：G為流體質(zhì)量速度；V1為入口處流體比容；V2為出口處流體比容；A為總傳熱面積；AC為最小流通面積；σ為互通面積比；Vm為平均比容；Kc為入口處突然收縮阻力損失系數(shù)；Ke為出口處突然擴(kuò)張阻力損失系數(shù)；f為平均摩擦系數(shù)；g為重力加速度。

對(duì)于等溫流動(dòng)，即V1=V2=Vm，則式(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

如果以流體的實(shí)際流量和多孔火焰抑制器的某些幾何參數(shù)重新組成壓力降公式，就可以減少某些不必要的參數(shù)計(jì)算。

式中：W為流體的質(zhì)量流量；γ為流體重度；Q為實(shí)際體積流量。

(3)

為了驗(yàn)證推導(dǎo)得到的公式的正確性，首先對(duì)已有的方形格孔圓柱形蜂窩體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證公式正確后，再對(duì)等邊三角形格孔的火焰抑制器進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

取一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為D，方形格孔尺寸為da，格孔壁厚為δ的圓柱蜂窩體進(jìn)行計(jì)算，則

(4)

(5)

將式(4)～式(5)帶入式(3)可得：

(6)

而流體在方形格孔通道內(nèi)充分發(fā)展的情況可由文獻(xiàn)[12]查出：

將f的值帶入式(6)可得：

(7)

所以式(7)可改寫(xiě)為

(8)

式(8)表示壓力降和方形格孔蜂窩體的幾何參數(shù)之間的基本關(guān)系。上述各式中的Kc和Ke取決于通道的互通面積比，其值可由文獻(xiàn)[12]查的，對(duì)于層流來(lái)說(shuō)也可以用式(9)～式(10)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

Kc=-0.42σ2+0.02σ+1.18

(9)

Ke=0.94σ2-2.71σ+1.00

(10)

4 計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較

文獻(xiàn)[12]給出的數(shù)據(jù)均是在靜態(tài)下進(jìn)行測(cè)定的，即空氣流經(jīng)一個(gè)直徑100 mm，長(zhǎng)度150 mm，方形格孔尺寸1.5 mm×1.5 mm，孔壁厚0.3 mm，空氣預(yù)熱溫度600 ℃的火焰抑制器。壓力降采用傾斜式微壓計(jì)測(cè)量。在各個(gè)空氣流量下實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的不同壓力降值如表1所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與數(shù)值計(jì)算值的流量-壓差關(guān)系對(duì)比如圖4所示。

表1 不同空氣流量下實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的壓力降值Table 1 Under different air flow experimental and numerical pressure drop

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與計(jì)算值的流量-壓差關(guān)系圖Fig.4 Experimental measurement and calculation of the flow-pressure relationship graph

從圖4可以看出：壓力降隨著流速的增加線(xiàn)性增加，數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的最大誤差僅為5%，表明推導(dǎo)的公式具有較高的準(zhǔn)確性。

5 阻火單元流阻分析

根據(jù)我國(guó)某型飛機(jī)機(jī)載火焰抑制器的相關(guān)技術(shù)要求，規(guī)定該火焰抑制器的工作介質(zhì)為空氣和RP-3燃油、在工作溫度-55～70 ℃下其流阻特性必須滿(mǎn)足以下條件：

(1) 最大空氣流量0.06 m3/s下，流阻不大于1 psig(6 894.8 Pa)；

(2) 溢流狀態(tài)下，最大燃油流速5 m/s時(shí)，流阻不大于2 psig。

5.1 空氣流經(jīng)阻火單元的壓力降分析

滿(mǎn)足阻火耐燒性能要求的阻火單元，在空氣溫度為-55和70 ℃條件下，不同的空氣流量流經(jīng)阻火單元時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力降分別如圖5～圖6所示。

(a) 最大安全間隙壓力降圖(d=0.97,L=25)

(b) 最小點(diǎn)火能量壓力降圖(d=1.82,L=25)

(c) 最大火焰速度壓力降圖

(d) LIRI實(shí)驗(yàn)結(jié)果壓力降圖(d=1.27,L=25)圖5 空氣溫度為-55 ℃時(shí)，不同空氣流量下的壓力降Fig.5 Air temperature of -55 ℃ different air flow pressure drop

(a) 最大安全間隙壓力降圖(d=0.97,L=25)

(b) 最小點(diǎn)火能量壓力降圖(d=1.82,L=25)

(c) 最大火焰速度壓力降圖

(d) LIRI實(shí)驗(yàn)結(jié)果壓力降圖(d=1.27,L=25)圖6 空氣溫度為70 ℃時(shí)，不同空氣流量下的壓力降Fig.6 Air temperature of 70 ℃ different air flow pressure drop

從圖5～圖6可以看出：隨著空氣流量的增加，流經(jīng)阻火單元的壓力降也隨之增加；在阻火單元長(zhǎng)度L一定的條件下，淬熄直徑d增加，其壓力降隨之減小。且對(duì)比圖5(c)和圖6(c)，阻火單元長(zhǎng)度L和淬熄直徑d在一定情況下同時(shí)增加，其壓力降反而略微下降，可見(jiàn)阻火單元長(zhǎng)度L并不是決定壓力降的唯一主要因素；另外，隨著空氣溫度的增加，流經(jīng)阻火單元的壓力降也隨之增加。

5.2 燃油流經(jīng)阻火單元的壓力降分析

滿(mǎn)足阻火耐燒性能要求的阻火單元，在燃油溫度為-55和70 ℃條件下，不同速度的燃油流經(jīng)阻火單元時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力降分別如圖7～圖8所示，可以看出：隨著燃油速度的增加，流經(jīng)阻火單元的壓力降也隨之增加；在阻火單元長(zhǎng)度L一定的條件下，淬熄直徑d增加，其壓力降隨之減小。且對(duì)比圖7(c)和圖8(c)，阻火單元長(zhǎng)度L和淬熄直徑d在一定情況下同時(shí)增加，其壓力降反而略微下降，可見(jiàn)阻火單元長(zhǎng)度L并不是決定壓力降的唯一主要因素；另外，隨著燃油溫度的增加，流經(jīng)阻火單元的壓力降隨之下降。

(a) 最大安全間隙壓力降圖(d=0.97,L=25)

(b) 最小點(diǎn)火能量壓力降圖(d=1.82,L=25)

(c) 最大火焰速度壓力降圖

(d) LIRI實(shí)驗(yàn)結(jié)果壓力降圖(d=1.27,L=25)圖7 燃油溫度為-55 ℃時(shí)，不同燃油速度下的壓力降Fig.7 Fuel temperature of -55 ℃ different fuel speeds pressure drop

(a) 最大安全間隙壓力降圖(d=0.97,L=25)

(b) 最小點(diǎn)火能量壓力降圖(d=1.82,L=25)

(c) 最大火焰速度壓力降圖

(d) LIRI實(shí)驗(yàn)結(jié)果壓力降圖(d=1.27,L=25)圖8 燃油溫度為70 ℃時(shí)，不同燃油速度下的壓力降Fig.8 Fuel temperature of -55 ℃ different fuel speeds pressure drop

5.3 各個(gè)參數(shù)對(duì)流經(jīng)三角形阻火單元壓力降的影響

5.3.1 空氣流量(燃油流速)對(duì)壓力降的影響

空氣和燃油溫度均為25 ℃，阻火單元淬熄直徑d為1.27 mm，阻火單元長(zhǎng)度為13 mm，格孔壁厚為0.05 mm條件下，在不同的空氣流量(燃油流速)情況下，阻火單元壓力降的變化情況如圖9所示。

(a) 空氣流量對(duì)壓力降的影響

(b) 燃油流速對(duì)壓力降的影響圖9 空氣流量(燃油流速)與壓力降的關(guān)系圖Fig.9 Air flow(fuel flow)-pressure drop relationship diagram

從圖9可以看出：隨著空氣流量(燃油流速)的增大，通道摩擦壓力損失Δpc、進(jìn)口壓力損失Δp1、出口壓力回升Δp2均隨之增大，但Δp1和Δp2的增長(zhǎng)幅度明顯要大于Δpc；且就整個(gè)阻火單元壓力降來(lái)看，當(dāng)空氣流量為0.01 m3/s時(shí)，Δpc粘性摩擦損耗占整個(gè)壓力損失比例的92.58%，而當(dāng)空氣流量為0.06 m3/s時(shí)，Δpc粘性摩擦損耗卻只占整個(gè)壓力損失比例的67.54%，說(shuō)明空氣流量的增加對(duì)Δp1和Δp2的影響十分明顯。

5.3.2 淬熄直徑對(duì)壓力降的影響

空氣和燃油均為溫度25 ℃，空氣流量為0.06 m3/s和燃油速度為5 m/s，阻火單元長(zhǎng)度為13 mm，格孔壁厚為0.05 mm條件下，在不同的淬熄直徑下，阻火單元壓力降的變化情況如圖10所示。

(a) 國(guó)際單位壓力降圖

(b) 英制單位壓力降圖圖10 淬熄直徑與壓力降的關(guān)系圖Fig.10 Quenching diameter-pressure drop relationship diagram

從圖10可以看出：隨著淬熄直徑d的增大，通道摩擦壓力損失Δpc一開(kāi)始下降較快，例如d從0.9 mm改變到1.3 mm，Δpc由645 Pa下降到294 Pa，但隨后下降的速率趨于平緩，例如d從1.3 mm改變到1.9 mm，而Δpc僅由294 Pa下降到132 Pa；但進(jìn)口壓力損失Δp1、出口壓力回升Δp2下降十分緩慢。

5.3.3 淬熄長(zhǎng)度對(duì)壓力降的影響

空氣和燃油溫度均為25 ℃，空氣流量為0.06 m3/s和燃油速度為5 m/s，阻火單元淬熄直徑d為1.27 mm，格孔壁厚為0.05 mm條件下，在不同阻火單元長(zhǎng)度下，阻火單元壓力降的變化情況如圖11所示。

(a) 國(guó)際單位壓力降圖

(b) 英制單位壓力降圖圖11 阻火單元長(zhǎng)度與壓力降的關(guān)系圖Fig.11 Flame arrestor element length-pressure drop relationship diagram

從圖11可以看出：隨著阻火單元長(zhǎng)度L的增大，通道摩擦壓力損失Δpc呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，而進(jìn)口壓力損失Δp1、出口壓力回升Δp2保持不變。

5.3.4 格孔厚度對(duì)壓力降的影響

空氣和燃油溫度均為25 ℃均空氣流量為0.06 m3/s和燃油速度為5 m/s，阻火單元淬熄直徑d為1.27 mm，阻火單元長(zhǎng)度L為13 mm條件下，在不同的格孔厚度δ下，阻火單元壓力降的變化情況如圖12所示。

(a) 國(guó)際單位壓力降圖

(b) 英制單位壓力降圖圖12 格孔壁厚與壓力降的關(guān)系圖Fig.12 Cell wall thickness-pressure drop relationship diagram

從圖12可以看出：隨著格孔厚度δ的增大，進(jìn)口壓力損失Δp1、出口壓力回升Δp2線(xiàn)性增長(zhǎng)，而通道摩擦壓力損失Δpc基本保持不變。

5.3.5 流體溫度對(duì)壓力降的影響

空氣流量為0.06 m3/s和燃油速度為5 m/s，阻火單元淬熄直徑d為1.27 mm，阻火單元長(zhǎng)度L為13 mm，格孔壁厚δ為0.05 mm條件下，在不同的空氣(燃油)溫度下，阻火單元壓力降的變化情況如圖13所示。

(a) 國(guó)際單位壓力降圖

(b) 英制單位壓力降圖圖13 空氣(燃油)溫度與壓力降的關(guān)系圖Fig.13 Air(fuel) temperature-pressure drop relationship diagram

從圖13可以看出：隨著空氣溫度的增大，通道摩擦壓力損失Δpc呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，而進(jìn)口壓力損失Δp1、出口壓力回升Δp2則線(xiàn)性減??；而隨著燃油溫度的增加，通道摩擦壓力損失Δpc在一定溫度范圍內(nèi)急劇下降，后逐漸緩慢減小，而進(jìn)口壓力損失Δp1、出口壓力回升Δp2則緩慢減小。

6 結(jié) 論

(1) 本文推導(dǎo)并驗(yàn)證的計(jì)算公式可以應(yīng)用于不同形式的火焰抑制器，利用該公式可做預(yù)示計(jì)算，避免了繁瑣的試驗(yàn)測(cè)量，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間和成本，為實(shí)際工程應(yīng)用中機(jī)載火焰抑制器的設(shè)計(jì)和選型提供了有益參考。

(2) 對(duì)于流通的介質(zhì)而言，應(yīng)考慮介質(zhì)的溫度和流速對(duì)機(jī)載火焰抑制器流通性能的影響。

(3) 研究機(jī)載火焰抑制器的流通性能，應(yīng)考慮其特征尺寸(淬熄直徑d、阻火單元長(zhǎng)度L、格孔厚度δ)對(duì)流通性能的影響。