灭火剂浓度压差转换元件内部流动过程的数值模拟

发布时间：2020-05-22 20:25

【摘要】：本文研究一种在飞机灭火系统设计过程中试验验证阶段使用的灭火剂浓度探测设备中核心的浓度压差转换元件。此类设备的优点包括占地面积小,测量准确度高,测量速度快,但小体积也为测量元件内部流动状态,分析几何参数影响造成了阻碍。同时,由于元件内部复杂的流场,对理论分析造成了困难,元件的优化和选型往往依赖于实验和经验,耗费了大量的时间和人力成本。为此,本文对探测元件内部的流动状态进行了数值模拟,分析了环境因素,几何参数对元件性能的影响。首先,本文选定基于纳维-斯托克斯流体的欧拉混合流,在本构方程和流体力学方程基本方程组的基础上,引入RNG K-ε湍流模型使得方程得到封闭。对混合气体的粘度采用了半经验的Wilke公式,热导率、比热容采用混合气体的体积占比加权计算,相对扩散系数采用富勒公式,确定组分方程中最适合的交换系数,并为以上参数编写了UDF函数。假设气体在元件内部流动的整体过程为绝热等熵流动,采用第一类边界条件。气体在毛细管处的流动则视为层流流动,流管两侧的压差则使用泊肃叶定律进行描述。研究内容包括以下几个方面:研究浓度压差转换元件内部流场流动特性,分析了哈龙1301灭火剂与氮气在元件内部混合的过程,研究了元件内部各个物理量以及气体混合过程随时间变化的关系。物理量在喷嘴处会发生剧烈的变化,压力的分布会影响测量点的位置,温度的变化会导致元件的流量系数的变化,速度场和浓度场的分布显示了滞流区的存在,而滞流区是延长响应时间的重要因素。同时,本文还研究了浓度对测量结果以及元件性能的影响。建立了元件几何参数,如内部毛细管的尺寸,分布情况以及滞流区几何结构与元件的响应时间,敏感度的影响的关系。在0-100%范围内,以10%灭火剂浓度为间隔,得出了元件体积越小,流体速度形越均匀,对减小气体滞流区越有利的结论,进而减小响应时间,提高敏感度。这些结论为元件结构优化和设计提供了指导。
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高设备精度，减小响应时间，提高灵敏度，为下一步的设备优化与改进指明方向，逡逑为整个飞机灭火系统的研发与推进提供帮助。逡逑本文的技术路线如下图１．４所示，文章将从流动模拟及其行为分析，参数影逡逑响与几何结构优化两个方面进行对浓度压差转换元件的数值模拟工作。逡逑压＾气体浓度探测设备数值模拟逡逑ｆ邋＇逦ｚｚｉｚｚ邋￣逦＾逡逑数学模型疰立逦流动行为模拟逦外界因索与设备优化逡逑Ｉ邋＿逦Ｉ逦＇逦一邋Ｉ邋＿逡逑Ｔ逦Ｔ逦Ｔ逦ｔ逦Ｔ逦？逦？逡逑控制方程湍流方程逦前处理逦流动特性模拟邋性能影响邋环堍因素影响逦几何优化逡逑丨Ｄｈｉｒ邋Ｌ逦丨Ｉ网格生成，条Ｉ邋Ｉ压力温度速度Ｉ邋Ｉ浓度对响应时Ｉ丨温度湛度对测邋Ｉ毛？？滞流区逡逑气仿丨丨ＲＮＧｋ－ｅｆｅｉ丨丨邋件确ｇ邋丨丨邋分布邋丨丨间等影咱１１邋ｇｉｃａ逦ａｉｉｋ逡逑图１．４本文技术路线示意图逡逑首先是通过对模拟对象进行数学建模与理论分析，阐述压差法探测的探测机逡逑理，确定模拟过程中各个参数的选择范围与适用的模型。然后在ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋中逡逑完成压差法浓度探测的模拟过程，分析其内部流动的流场特征与关键性的特性参逡逑数随灭火剂温度，湿度，浓度变化的变化特点，解释特性参数的变化原因，再结逡逑合理论分析提出几何优化的可能性。逡逑之后根据模拟算例的结果，对模拟算例的几何部分进行改进，再进行模拟计逡逑算，在不同的工况下比较不同的几何结构对性能参数的影响，，几何参数包括精度，逡逑灵敏度

３．２．１物理模型逡逑本文的模拟对象是基于管雨等人提出的一种压差式气体浓度探测设备，其浓逡逑度压差转换元件主要结构如图３．１所示。逡逑ｎ逦ｎ逡逑澜压孔逦Ｌ逡逑一一一二邋１逦、体出ＩＪ逡逑／c仯鞑考�逦／逡逑图３．１灭火剂浓度压差转换元件几何结构示意图逡逑２５逡�

本文编号：2676556