1、民用飞机燃油箱温度与安全性研究摘 要全面研究导致民用飞机中央燃油箱和机翼燃油箱温度上升的因素，建立气动热与马赫数、燃油冷却回流、太阳对机翼油箱辐射和周围热源对中央油箱的温度方程，并讨论温度对燃油箱的影响，进而探究燃油箱温度与民用飞机安全的关系。 关键词燃油箱温度；气动热；燃油回流；太阳辐射；适航安全 中图分类号：V228.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0323-02 前言 纵观航空历史，不管是国内还是国外，民用飞机不安全事故中常伴有火灾爆炸事故发生1。一架民用飞机携带油量相当于一个小型油罐，如果油箱开裂，输油管断裂，燃油就会到处流散、蒸发，遇到火源、热源或
2、微弱的火星便会引起燃烧或爆炸，一般在火灾发生后的 1-2 分钟就会形成熊熊大火，致使民用飞机烧毁。由此可见，民用飞机安全极大程度上取决于燃油系统的安全性和可靠性，为了更好地保障民用飞机安全飞行以及低耗油远飞行，必须提高燃油系统的工作效率和可靠性。而影响燃油温度的因素有很多，如大气辐射、内部热源、飞行马赫数等。目前对燃油箱的研究仅存在于整个燃油系统，很少有研究燃油系统温度上升的单元。本文将影响燃油系统温度上升的因素作为各个单元，考察各个单元温度上升与燃油箱的关系，并讨论燃油箱的安全性。 1 影响燃油箱温度的因素 民用飞机燃油系统的功用是储存燃油，并在允许的飞行状态和飞行高度下，按需要的压力和流量
3、安全可靠地将燃油供给发动机。此外，燃油系统还可以完成冷却民用飞机上其他系统、平衡民用飞机、保持民用飞机重心于规定的范围内等附加功能。民用飞机燃油系统又称外燃油系统，因为发动机上还有一套系统将燃油输送到燃烧室内去，后者称为内燃油系统。民用飞机的心脏发动机依靠燃油燃烧产生热量作功，推动民用飞机飞行。燃油是民用飞机的能源，燃油系统是民用飞机能源的供应系统。 目前工作主要研究一些外界因素和内部因素对燃油箱温度的影响，而燃油箱主要包括机翼油箱和中央油箱。对于机翼油箱而言，在飞行条件下，机翼油箱壁面收到气动加热影响，它的上壁面受到太阳辐射的影响。而由于飞行高度较高，在民用飞机起飞后，地面辐射的影响可以忽略
4、。对于机身内部中央翼油箱而言，而其前壁面、后壁面以及下壁面附近设备布置状态与民用飞机型号有关，可能存在空调包、液压系统换热器、惰化系统散热器等部件的热传递，在燃油的消耗过程中，会有一部分燃油回流到燃油箱中，这在一定程度也会升高燃油的温度。以下将研究影响温度上升的各个单元，主要从飞行马赫数、燃油回流、机身内部热源和太阳辐射四个方面展开。 1.1 气动加热 飞行器在飞行中受到严重的气动加热，对于气动加热，普遍认为，在马赫数小于 2 的飞行环境下其壁面温度即为大气的恢复温度 Tr2。而民用飞机的速度一般为：900 公里/小时，波音 737 巡航速能达到 0.75 马赫，也就是将近 918 公里/小时
5、。波音 747 巡航最快可以达到 0.98 马赫将近 1120 公里/小时。通常用恢复温度系数来表示气流本身的散逸的程度，恢复系数3为 （1） 恢复温度总是小于绝热壁温度，恢复温度的公式为 （2） 其中，Tw 为绝热壁面的温度；为边界层外源来流温度；T0 为气流被滞止时的温度；为边界层外源来流马赫数；为气体比热，=Cp/Cv，恢复系数为1，根据经验进行取值。 这个方程可用于研究飞机在飞行中，不同的飞行马赫数对飞机机翼油箱温度变化的影响。 1.2 燃油回流 在民用飞机机体内部，燃油从燃油箱流出依次吸收电子设备系统（通过载冷/制冷系统实现） 、滑油系统、液压油系统发出的热量，之后其中一部分燃油进入
6、到发动机，吸收发动机产生的热载荷后进入燃烧室燃烧，提供民用飞机的动能，而剩余的另一部分燃油由冲压空气冷却后回到燃油箱中。这一部分燃油会升高燃油的温度4。在这里 Gtot 表示燃油的总流量，Grec 表示回流到燃油箱的燃油流量，Gbur 表示流入发动机燃烧室的燃油流量 Gtot=Grec+Gbur （3） 燃油经过换热器后，获得热量的平衡方程 （4） 由此，不难发现当回流质量流量上升时，燃油本身的温度不断的增加。 油箱内部的流动换热问题属于典型的气-液两相问题5，故选用 VOF多相模型进行数值模拟。控制方程采用包含连续性方程和能量方程的Navier？Stokes 方程 （5） （6） 其中：、u
7、i、p 和 T 分别为密度、速度分量、压力和温度；g 和 f分别为重力加速度和表面张力引起的体积力；ST 为流体的粘性耗散项。 VOF 方法构造的体积分数函数 aq 为第 q 相流体所占体积与该单元的体积之比。对于油箱燃油问题，可取 q=1 表示空气相，q=2 表示燃油相。同时，体积分数函数 aq 要满足以下方程 （7） （8） 整个流场中不同部分的密度是不相同的，混合单元（含有两种流体）内的密度根据以下公式求解 （9） 这个方程用于描述粘性不可压缩流体动量守恒的问题，在这里可以研究燃油系统的回流，表述回流与温度的关系。 1.3 机身内部热源 在飞行条件下，机翼油箱受到的热量主要为太阳辐射。而
8、对于机身内部中央翼油箱而言，由于油箱的上壁面与客舱下壁面位置很近，环境因素基本无影响6。而其前壁面、后壁面以及下壁面附近设备布置状态与民用飞机型号有关，可能存在电子设备、环控系统、滑油系统、液压系统和发动机附件等部件的热传递。这些热源对油箱的影响主要为热辐射和燃油箱表面的导热。 设油箱与热源为两个平行的灰体平板，两平板为透热体，辐射可全部相互投射，以光速传播， 设 1 为热源的发射率，2 为油箱的发射率，T1 为热源的温度，T2 为油箱的温度，S1 为热源与油箱对应面的油箱的侧面积7，由辐射热计算得 （10） 而实际的油箱和热源会有一定的角度，假设这个角度为，则 （11） 而温度与热量的变化可
9、用 Q=cmt 计算， 这些辐射热势必会加热油箱的侧面，这个侧面会向内部导热，设油箱的厚度为 ，油箱材料的导热系数为 ，则 （12） 所以， （13） 这个方程用于研究两平行平面的辐射热传递，在这里可以用于机身内部热源对整个燃油箱温度的影响。 1.4 太阳辐射 由于中央翼油箱隔舱位于机身内部，没有太阳辐射及地面辐射带来的热量，也不能得到飞行时外界高速气流的冷却，仅与周围舱室（客舱、货舱等）存在较为单一的对流换热关系，但其内部热模型节点与换热关系与机翼油箱隔舱一致8。所以在考虑太阳辐射对油箱燃油温度的影响的时候，我们仅从机翼油箱入手，但是由于油箱的整个系统在热量交换的时候相对较为复杂，所以为了便
10、于工程应用做出如下简化：将油箱壁面抽象为“上壁面” 、 “下壁面”和若干个“侧壁面” ；燃油、气体和各壁面的温度为集总参数；将燃油视为理想的不可压流体，同时不考虑其蒸发；油箱内部热辐射仅考虑上壁面与燃油表面间的辐射传热；仅考虑民用飞机水平姿态情况，并忽略加速度对燃油液面的影响。在考虑太阳辐射（其中还包括大气辐射）对燃油温度这一影响下，仅从上壁面入手。对于油箱的上壁面，可能存在的热载荷为： 外侧壁面与外部气流的对流传热量9 （14） 内侧壁面与油箱内气体的对流传热量 （15） 内侧壁面与燃油的对流传热量 （16） 来自燃油表面的辐射传热量 （17） 来自太阳的辐射传热量 （18） 来自大气的辐射
11、传热量 （19） 其中，h 为表面传热系数；Isun 为太阳辐射强度； 为表面发射率； 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；tsky 为有效天空温度。 所以，可以得出机翼油箱上壁面的热平衡方程为： （20） 式中 mt 表示油箱上表面的质量，cw 表示壁面比热容， 表示时间。同理，可以得出机翼油箱下壁面的热平衡方程： （21） 其中 qbt，o 表示外侧壁面与外部气流的对流传热量，qbt，g 表示内侧壁面与油箱内气体的对流传热，量，qbt，f 表示内侧壁面与燃油的对流传热量，qair 表示大气的辐射传热量，qgrd 表示地面的辐射传热量。 这个方程能用于大气辐射、太阳辐射、地面辐射等对燃油箱温度的研究。
12、2 温度对燃油箱的影响 燃烧是通过点火源引发油气和氧气持续反应，并且释放大量热量的过程10。因此，燃烧的不是液态燃油本身而是油气，油气燃烧必须有适当的油气/氧气比。燃油蒸汽压，是影响燃油箱易燃性的重要参数，某种试验测得蒸汽压燃烧油气/氧气比（按体积比）上限为 4.7%、下限为0.6%。充足的氧气浓度是油气燃烧的必要条件。氧气作为助燃气，在空气中氧气正常含量为 21%，油箱上部空间含有燃油蒸汽、空气和惰性气体。现今 Boeing 系列民用飞机利用机载氮气惰化技术（如油箱压力转换吸附的空气分离技术、纤维膜空气分离技术等） ，使油箱中氧气浓度降到 12%或以下。这种惰化技术可以减少温度对燃油箱的影响
13、，也提高了燃油系统的安全性。 美国国家运输安全委员会（NTSB）认为，在飞行时中央油箱内部温度很高，可达 200 华氏度（约 93 摄氏度） ，若油箱又相对较空，残余燃油就会挥发为燃油蒸汽，燃油蒸汽和空气混和，就形成了极易爆炸的可燃气体，这时一旦有火星，就会点燃，从而引起爆炸11。 在民用飞机飞行中外界因素和内部因素都会在一定程度上升高燃油的温度，当燃油温度上升，就会加速燃油的挥发，燃油气会积聚在燃油箱的上部空间，以航空煤油的“3 号喷气燃料”为例， “3 号喷气燃料”的闪点为 38，即燃油的温度到达 38，如若是周围存在火源，就有可能引燃可燃气，并引发爆炸。研究表明，近 30%的起火开始于民
14、用飞机的中央油箱，中央油箱之所以容易受损，是因为大多数民用飞机上，中央油箱邻近的组件（如空调组件）加热了燃油，使得燃油更加易燃。燃油、氧气和点火源被 FAA 称为“起火三角形” ，若是控制燃油温度的上升，就在一定程度上增加了点火源的能量，就会降低燃油系统的危险性。所以，研究影响燃油箱温度的因素是非常必要的，它可以了解燃油系统温度上升的原因，并根据这些原因，提高这些部位的可靠性和稳定性，进而提高民用航空的适航性。 3 结论 民用飞机在飞行中，大气辐射、周围热源、燃油回流、气动热都会在一定程度上升高燃油箱的温度，这对民用飞机的安全飞行造成了极大的安全隐患。研究燃油箱增温的因素，改善燃油的热稳定性，
15、可以有效地减少外界因素对燃油系统的影响。目前得出以下结论： （1）在只考虑气动加热的情况下，上下壁面的恢复温度比滞止温度低，飞行马赫数越低，上下壁面的恢复温度与滞止温度的差异越小。 （2）当回流质量流量上升时或是内部热源温度增加时或是大气辐射、太阳辐射强烈时，燃油本身的温度不断的增加。 （3）燃油箱温度过高对燃油系统乃至飞机的安全航行都存在很大的隐患，控制燃油箱温度可以很大程度的提高民用飞机的适航安全性。 参考文献 1 徐浩军.航空器适航性概论M.西北工业大学出版社，2012. 2 童升华，邵垒，古远康，等.外热源作用下机翼油箱边界温度变化规律研究J.航空兵器，2014， （1）：48-52. 3 王杰.高超声速飞行器气动加热计算技术D.南京航空航天大学，2011. 4 张兴娟，张作琦，高峰.先进战斗机超声速巡航过程中的燃油温度变化特性分析J.航空动力学报，2015，25（2）：258-263. 5 陈悦，孙建红.民用飞机油箱内燃油流动换热过程数值分析J.江苏航空，2014， （3）：32-33. 基金项目 2014 年省级大学生创新训练计划项目（DCS140402） 。 作者简介 秦文龙（1994） ，男，安徽阜阳人，大三本科生，主要研究方向：适航安全 张旭（1980） ，男，辽宁沈阳人，讲师，主要研究方向：适航安全。
