張玉瑩 朱翀 張雪蘋

摘 要

飲用水系統(tǒng)是民用客機(jī)中不可缺少的重要系統(tǒng)。在飲用水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，供水管路的設(shè)計(jì)尤為重要。供水管路中飲用水在不同飛行工況、不同出水口使用條件下的流動(dòng)性能有所差異。本文以某型民機(jī)飲用水系統(tǒng)供水管路作為研究對(duì)象，采用FLOWMASTER管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)供水管路不同飛行工況、不同水龍頭同時(shí)使用的穩(wěn)態(tài)流量進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證供水管路的流動(dòng)性能。

關(guān)鍵詞

民用飛機(jī);飲用水系統(tǒng);流動(dòng)性能;FLOWMASTER

中圖分類號(hào)： V223.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.026

民機(jī)飲用水系統(tǒng)[1]是在機(jī)內(nèi)儲(chǔ)存并提供足夠量的水，為機(jī)上廚房及盥洗室提供飲用水、冷熱盥洗用水和馬桶沖洗用水，以滿足乘客機(jī)上生活的需要。

飲用水系統(tǒng)主要由飲用水箱、供水管路、通氣溢流閥、水龍頭、壓力傳感器等組成部件。飲用水系統(tǒng)將水儲(chǔ)存在水箱中，通過(guò)增壓方式將水通過(guò)管路輸送到廚房與盥洗室供使用。某型民機(jī)具有前廚房水龍頭、前盥洗室水龍頭、后左盥洗室水龍頭、后右盥洗室水龍頭、后廚房水龍頭，即該機(jī)型飲用水系統(tǒng)供水管路中具有5個(gè)出水口。飲用水系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景包括地面和巡航兩個(gè)階段，因此飲用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮系統(tǒng)不同飛行工況、不同出水口同時(shí)使用情況對(duì)供水管路流動(dòng)性能的影響。本文以某型民機(jī)飲用水系統(tǒng)供水管路的流動(dòng)性能計(jì)算為例進(jìn)行研究，為供水管路布置、飲用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算方法

FLOWMASTER是全球領(lǐng)先的熱流體系統(tǒng)仿真軟件，先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)能夠輔助工程師完成各種復(fù)雜系統(tǒng)的仿真工作，從而應(yīng)對(duì)現(xiàn)代化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。FLOWMASTER軟件進(jìn)行的一維流體系統(tǒng)仿真是基于：利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置元件的工作參數(shù)，從而得到元件的進(jìn)出口的流量、壓力等物理量。FLOWMASTER具有豐富的元件數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)元件都有特定的數(shù)學(xué)模型，并具有相應(yīng)的輸入輸出和特征參數(shù)，并且具有自定義元件功能，支持用戶根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)元件進(jìn)行自定義創(chuàng)建。在民機(jī)飲用水系統(tǒng)供水管路流動(dòng)性能計(jì)算中用到了FLOWMASTER軟件[2]中的直管模型、彎管模型、壓力源模型、節(jié)流閥模型等，其中直管和彎管模型用于模擬供水管路的流動(dòng)，壓力源模型用于模擬水龍頭出水口座艙壓力以及簡(jiǎn)化模擬供水管路水箱，節(jié)流閥模型用于模擬水龍頭出水口。

2 計(jì)算模型與計(jì)算條件

飲用水系統(tǒng)供水管路是連接飲用水箱和系統(tǒng)出水口的一組管網(wǎng)，用于將水輸送至各個(gè)出水口。不同座艙壓力及飲用水系統(tǒng)增壓和不同出水口同時(shí)使用情況會(huì)對(duì)飲用水系統(tǒng)的出水流量造成影響。

本文以某型民機(jī)飲用水系統(tǒng)供水管路作為研究對(duì)象。該型民機(jī)飲用水系統(tǒng)飲用水箱位于水廢水艙。系統(tǒng)將儲(chǔ)存于水箱中的飲用水通過(guò)增壓方式向前輸送至前廚房和前盥洗室，向后輸送至后廚房、后左盥洗室和后右盥洗室，因而飲用水系統(tǒng)供水管路從水箱出口開始，向前經(jīng)過(guò)中后機(jī)身三角區(qū)、穿過(guò)中央翼區(qū)連接至前機(jī)身的前廚房和前盥洗室，向后連接位于水廢水艙的后廚房、后左盥洗室和后右盥洗室。因系統(tǒng)布置的需要，飲用水系統(tǒng)前機(jī)身和后機(jī)身供水管路采用軟管管路，而中央翼區(qū)的管路采用硬管管路。根據(jù)飲用水系統(tǒng)布置，可知前廚房和前盥洗室距離后盥洗室約30m，后盥洗室和后廚房相距3m，兩后盥洗室之間相距3m;中央翼區(qū)的供水管路硬管長(zhǎng)度約2m，前機(jī)身供水管路軟管和后機(jī)身供水管路軟管長(zhǎng)度分別為12m和13m。根據(jù)以上分析，建立如圖1所示的飲用水系統(tǒng)供水管路流動(dòng)性能計(jì)算模型。

考慮不同出水口同時(shí)使用情況對(duì)飲用水系統(tǒng)供水管路流動(dòng)性能影響時(shí)，對(duì)于出口壓力，本文選取飛機(jī)正常巡航座艙壓力0.8bar;對(duì)于入口壓力，本文選取水箱增壓的最小設(shè)計(jì)壓力2.2bar;按選擇距離水箱最遠(yuǎn)端水龍頭出水的原則分別計(jì)算1個(gè)出水口出水、2個(gè)出水口同時(shí)出水、3個(gè)出水口同時(shí)出水、4個(gè)出水口同時(shí)出水、5個(gè)出水口同時(shí)出水的工況?？紤]不同系統(tǒng)壓差情況對(duì)飲用水系統(tǒng)供水管路流動(dòng)性能影響時(shí)，本文選取飛機(jī)最大使用高度、飛機(jī)正常巡航高度和飛機(jī)最低起降海平面高度時(shí)飲用水系統(tǒng)壓差計(jì)算5個(gè)出水口同時(shí)使用的工況。飲用水系統(tǒng)供水管路最小出水口流量的設(shè)計(jì)指標(biāo)為3.15e-5m3/s。

本文計(jì)算將水箱簡(jiǎn)化為壓力源元件，水龍頭簡(jiǎn)化為節(jié)流閥元件，管路選用FLOWMASTER中的Cylindrical Rigid Pipe，摩擦力模型選用Hazen-Williams Equation，Hazen-Williams摩擦系數(shù)選用FLOWMASTER中對(duì)于光滑水管的推薦值135。本文仿真模型采用不可壓縮穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

飲用水系統(tǒng)供水管路在飛機(jī)正常巡航時(shí)不同出水口流量和不同飛行工況時(shí)5個(gè)出水口中最小流量計(jì)算結(jié)果分別見表1與表2。

由表1供水管路流動(dòng)性能計(jì)算結(jié)果可知，在飛機(jī)正常巡航時(shí)，隨著出水口同時(shí)使用的數(shù)量增加，供水管路總流量不斷增加，同一出水口的流量隨之減小，最小流量為0.000152m3/s，滿足飲用水系統(tǒng)供水管路最小出水口流量的設(shè)計(jì)指標(biāo)3.15e-5m3/s。分析表1數(shù)據(jù)還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出水口同時(shí)使用的個(gè)數(shù)超過(guò)3個(gè)時(shí)，后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后廚房出水口的流量明顯大于前廚房出水口和前盥洗室出水口流量，因此在飲用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮對(duì)后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后廚房出水口增加局部阻力，使得各出水口流量分配趨于平均。

分析表2數(shù)據(jù)可知，飲用水系統(tǒng)供水管路壓差減小時(shí)，最小出水口流量值也隨之減小;最小流量為9.8e-5m3/s，滿足飲用水系統(tǒng)供水管路最小出水口流量的設(shè)計(jì)指標(biāo)3.15e-5m3/s。

綜上所述，在飛機(jī)最大使用高度、飛機(jī)正常巡航高度、飛機(jī)最低起降海平面高度條件下，前廚房出水口、前盥洗室出水口、后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后廚房出水口同時(shí)使用的情況下，最小出水口流量均大于3.15e-5m3/s。因此，供水管路流動(dòng)性能可滿足飲用水系統(tǒng)供水管路最小出水口流量設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某型民機(jī)飲用水系統(tǒng)供水管路作為研究對(duì)象，提出了采用FLOWMASTER管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)供水管路的流動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算的方法。根據(jù)該方法的計(jì)算結(jié)果可知在飛機(jī)不同飛行工況、不同數(shù)量出水口同時(shí)使用情況對(duì)飲用水系統(tǒng)供水管路流動(dòng)性能的影響，得到最小出水口流量均可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。為了優(yōu)化分配供水管路中出水口流量，建議對(duì)后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后廚房出水口適當(dāng)增加局部阻力，保證飲用水系統(tǒng)各出水口流量趨于平均。

參考文獻(xiàn)

[1]雷美玲.新型民用客機(jī)水系統(tǒng)選型研究[J].航空工程進(jìn)展，2012，3（2）：229-234.

[2]朱翀.民用飛機(jī)水系統(tǒng)管路流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].航空工程進(jìn)展，2014，5（4）：515-520.