張 沛，孟曼利，汪 箭

(1.中航工業(yè)一飛院，西安，710089；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)優(yōu)化布置技術(shù)及平臺研發(fā)

張 沛1,2，孟曼利1，汪 箭2*

(1.中航工業(yè)一飛院，西安，710089；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

對飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)布置原則進(jìn)行了論述，提出了一套飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)布置方法，并開發(fā)出一套煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺。對煙霧探測系統(tǒng)布置中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了詳細(xì)討論，并以某型運(yùn)輸機(jī)貨艙為實(shí)例進(jìn)行了仿真計(jì)算。

煙霧探測；布置方法；仿真計(jì)算

0 引言

飛行事故伴隨著航空業(yè)的發(fā)展，空中失火是導(dǎo)致飛行事故的重要因素[1]。運(yùn)輸類飛機(jī)貨艙內(nèi)空間大，貨物裝載構(gòu)型多樣，同時(shí)貨艙內(nèi)布置有各種電氣設(shè)備，鋪設(shè)了大量的電氣線纜，一旦發(fā)生火情，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，就會(huì)危及飛機(jī)安全。

煙霧是火災(zāi)的前兆和伴隨產(chǎn)物，也是早期火災(zāi)探測的基礎(chǔ)，現(xiàn)代飛機(jī)貨艙火警探測大部分采用煙霧探測技術(shù)。目前飛機(jī)貨艙內(nèi)的煙霧探測系統(tǒng)布置通常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或參考相關(guān)機(jī)型進(jìn)行布置， 缺乏一種成熟、有效的煙霧探測系統(tǒng)布置方法[2]。因此，從飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)性能優(yōu)化的角度出發(fā)，研究適用于飛機(jī)貨艙環(huán)境的煙霧探測布置方法無疑具有重要意義。

1 煙霧探測系統(tǒng)布置原則

在飛機(jī)貨艙內(nèi)合理地布置煙霧探測器，應(yīng)滿足以下原則：

1) 安全性，即所有的探測區(qū)域都在煙霧探測器的監(jiān)視范圍內(nèi)，不存在探測不到的“死角”。

2) 經(jīng)濟(jì)性，即充分利用每個(gè)煙霧探測器的監(jiān)視空間，在保證安全性的前提下，使探測器的數(shù)量最少。

因此，在飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)的布置原則是要在滿足安全性的前提下，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

2 研究目標(biāo)

根據(jù)《中國民用航空規(guī)章》第25.858條規(guī)定，對于每個(gè)裝有煙霧探測裝置的貨艙或行李艙，必須滿足：“該探測系統(tǒng)必須在起火后一分鐘內(nèi)，向飛行機(jī)組給出目視指示[3]。”本條款明確給出了飛機(jī)貨艙或行李艙煙霧探測系統(tǒng)的性能要求。因此，對于一個(gè)給定的飛機(jī)貨艙，本文的研究目標(biāo)是在滿足《中國民用航空規(guī)章》第25.858條要求的前提下，確定煙霧探測器的數(shù)量和位置兩個(gè)元素。

3 研究步驟

本文采用FDS(Fire Dynamics Simulator)作為煙霧仿真工具，通過反復(fù)迭代計(jì)算，最終輸出探測器的數(shù)量和位置。

FDS是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的一款火災(zāi)動(dòng)力學(xué)場模擬軟件，它以火災(zāi)煙氣流動(dòng)和熱傳遞過程為重點(diǎn)研究對象[4]，是目前公認(rèn)優(yōu)秀的煙氣模擬工具。目前，F(xiàn)DS在建筑等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，但是采用火災(zāi)模擬軟件研究飛機(jī)煙霧探測系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)在國內(nèi)還剛起步。

本文提出的研究流程如圖1所示。

圖1 煙霧探測系統(tǒng)布置流程Fig.1 Smoke detection system placement procedure

第一步：初步確定飛機(jī)貨艙內(nèi)煙霧探測器的數(shù)量和位置(具體確定方法見4.1節(jié))。

第二步：根據(jù)飛機(jī)貨艙的實(shí)際尺寸、典型貨物裝載構(gòu)型和煙霧探測器的初步布置位置建立FDS模型。

第三步：對已建立的模型劃分網(wǎng)格。

第四步：設(shè)置模型各種屬性和邊界條件，包括根據(jù)飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)置貨艙供氣口和排氣口屬性，壁面、地板、貨物和各種設(shè)施的材料屬性，一個(gè)火源的位置和參數(shù)，煙霧探測器性能參數(shù)。

第五步：進(jìn)行仿真計(jì)算。

第六步：判斷是否完成所有火源位置的計(jì)算；如果未完成，則轉(zhuǎn)入第四步，進(jìn)行下一個(gè)火源位置的計(jì)算(火源位置的確定方法見4.3節(jié))；如果已完成，則轉(zhuǎn)入下一步。

第七步：查看所有火源位置的計(jì)算結(jié)果，判斷貨艙煙霧探測系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間t是否小于60 s。若t>60 s，則系統(tǒng)布置不滿足要求，需要調(diào)整煙霧探測器布置，轉(zhuǎn)入第四步進(jìn)行重新計(jì)算；若t≤60 s，則系統(tǒng)布置滿足要求，轉(zhuǎn)入下一步。

第八步：輸出計(jì)算結(jié)果，結(jié)束。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 煙霧探測器初步布置

1) 煙霧探測器初步數(shù)量的確定

煙霧探測器初步數(shù)量的確定可由公式(1)計(jì)算出：

(1)

式中N為煙霧探測器數(shù)量，計(jì)算結(jié)果舍去小數(shù)；

S為貨艙探測區(qū)域的面積，根據(jù)飛機(jī)貨艙三維數(shù)模確定；

A為煙霧探測器保護(hù)面積，由煙霧探測器供應(yīng)商提供。

2) 煙霧探測器初步位置的確定

煙霧顆粒是火災(zāi)早期的重要特征。如圖2所示，煙霧顆粒從火源產(chǎn)生后，因?yàn)楦邷貧怏w比周圍空氣的密度低所引起的煙氣熱浮力效應(yīng)，煙氣首先向火源上方運(yùn)動(dòng)；當(dāng)?shù)竭_(dá)貨艙頂部時(shí)，在頂部逐漸積聚，然后再向附近區(qū)域擴(kuò)散。

圖2 貨艙內(nèi)煙霧產(chǎn)生及擴(kuò)散路徑示意圖Fig.2 Generation and diffuseness of smoke in cargo compartment

圖3 煙霧探測器初步布置示意圖Fig.3 Preliminary placement of smoke detectors

因此，在初步布置時(shí)通常將煙霧探測器均勻布置在貨艙頂棚，考慮到飛機(jī)貨艙通常是對稱結(jié)構(gòu)，一般將煙霧探測器均勻布置在飛機(jī)對稱面上，如圖3所示。

根據(jù)以上計(jì)算方法和布置原則，能夠得到初步煙霧探測器數(shù)量和布置。

4.2 不規(guī)則曲面FDS建模[5]

FDS的效率在于它對數(shù)字網(wǎng)格的簡化，僅能夠?qū)匦螏缀误w進(jìn)行直接建模，目前主要應(yīng)用在規(guī)則

形面的場景中，但是飛機(jī)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有大量的不規(guī)則形面，無法對不規(guī)則形面進(jìn)行建模制約了FDS在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

邵等[6]提出了一種用矩形方塊來擬合圓弧墻或斜線墻的算法，能夠較好地解決等截面隧道的建模問題，但是對于飛機(jī)上一些曲率變化較大的非規(guī)則形面建模則無法順利完成；ARX-FDS、PyroSim等幾款軟件能夠解決AutoCAD環(huán)境下的曲面建模問題，因?yàn)镃ATIA與AutoCAD軟件格式不兼容的問題，轉(zhuǎn)換效率低，需要手工進(jìn)行大量的修改，也無法較好的用于航空領(lǐng)域。

本文提出一種用大量小矩形塊逼近不規(guī)則曲面的方法，利用CATIA軟件結(jié)合編程的方式，能夠高效地完成不規(guī)則曲面自動(dòng)建模，其工作流程見圖4。

圖4 FDS非規(guī)則形面建模流程Fig.4 Irregular surface modeling procedure in FDS

本文提出的不規(guī)則曲面自動(dòng)建模思想是：首先將不規(guī)則形面進(jìn)行“三角化”，然后將所有的三角形沿同一矢量方向拉伸，得到三角形棱柱。根據(jù)網(wǎng)格的尺寸和位置，將所有與三角形棱柱相交的網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)定，為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，提高建模效率，再將被標(biāo)定的六面體單元合并成較少的矩形塊；最后根據(jù)合并后的矩形塊的坐標(biāo)生成OBST命令行，導(dǎo)入FDS后完成建模。不規(guī)則形面FDS建模如圖5所示。

4.3 火源位置的確定

根據(jù)AC25-9A《煙霧探測、穿透、排煙試驗(yàn)和相關(guān)飛行手冊應(yīng)急程序》，火源(煙霧發(fā)生裝置)應(yīng)布置

圖5 不規(guī)則形面FDS建模示意圖Fig.5 Irregular surface modeling in FDS

在貨艙內(nèi)貨物裝載區(qū)域的邊界上。

為了保證區(qū)域內(nèi)不存在探測“死角”，本文提出火源位置應(yīng)按照以下方法確定：

1) 在飛機(jī)貨艙的俯視圖中選取相鄰兩個(gè)煙霧探測器連線的中點(diǎn)，再向貨物裝載區(qū)域邊界進(jìn)行投影得到一系列火源位置；

2) 在貨艙的前后兩端，選取貨物裝載區(qū)域邊界上距離煙霧探測器最遠(yuǎn)的位置設(shè)置火源。

火源位置選擇示意圖見圖6。

圖6 火源位置選擇示意圖Fig.6 Fire source position definition

4.4 探測器反應(yīng)時(shí)間的確定

目前，飛機(jī)貨艙多采用光電式煙霧探測器。如圖7所示，由于空氣樣本從煙霧探測器外部進(jìn)入到探測器傳感腔需要一段時(shí)間，因此探測器內(nèi)部的減光率值相對于探測器外會(huì)有一個(gè)滯后時(shí)間，圖7中tB-tA即為探測器反應(yīng)時(shí)間。

圖7 煙霧探測器反應(yīng)時(shí)間示意圖Fig.7 Smoke detector reaction time

根據(jù)《中國民用航空規(guī)章》第25.858條，貨艙煙霧探測系統(tǒng)應(yīng)“在起火后一分鐘內(nèi)，向飛行機(jī)組給出目視指示”，而根據(jù)AS8036《貨艙火警探測裝置》和HB7098-1994《民用航空器貨艙和行李艙煙霧探測器最低性能要求》，光電式煙霧探測器應(yīng)在空氣樣本進(jìn)入探測器后30 s內(nèi)輸出告警信號。由此可見，煙霧探測器反應(yīng)時(shí)間有可能會(huì)占據(jù)煙霧探測系統(tǒng)整個(gè)響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)大的一部分。因此，煙霧探測器反應(yīng)時(shí)間的確定，對于飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)布置方法研究非常重要。

本文采用Cleary模型來確定煙霧探測器反應(yīng)時(shí)間[7]，具體公式如下：

(2)

(3)

(4)

δt為煙霧探測器的響應(yīng)時(shí)間(s)；

δte為空氣樣本進(jìn)入煙霧探測器外殼的時(shí)間(s)；

δtc為空氣樣本進(jìn)入煙霧探測器傳感腔的時(shí)間(s)；

u為煙霧探測器安裝處的自由氣流速度(m/s)；

αc、βc、αe、βe為煙霧探測器的特征參數(shù)(無量綱參數(shù))。

從公式(2)～公式(4)可以看出煙霧探測器的響應(yīng)時(shí)間是其安裝處自由氣流速度的函數(shù)，通過確定αc、βc、αe、βe值就可以在計(jì)算中得到煙霧探測器的響應(yīng)時(shí)間。

αc、βc、αe、βe值一般由供應(yīng)商進(jìn)行確定，通常通過試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，也可以通過仿真計(jì)算，對煙霧探測內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)建模后確定。

5 平臺開發(fā)

以VC++為編程工具開發(fā)出了技術(shù)平臺，該平臺能夠自動(dòng)讀入CATIA等三維建模工具輸出的stp格式文件，完成非規(guī)則形面建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定等工作后，調(diào)用煙霧仿真工具FDS軟件進(jìn)行計(jì)算，然后再調(diào)用MATLAB軟件讀入FDS計(jì)算結(jié)果，利用遺傳算法優(yōu)化出煙霧探測系統(tǒng)布置。開發(fā)平臺界面如圖8、圖9所示。

圖8 煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺主界面Fig.8 Main interface of smoke detection system placement optimization platform

圖9 煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺操作界面Fig.9 Operation interface of smoke detection system placement optimization platform

6 實(shí)例

以某型運(yùn)輸機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)為例，對上述研究方法進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)飛機(jī)三維數(shù)模，貨艙長22m，寬4m，則貨艙探測區(qū)域的面積為88m2；選用的煙霧探測器保護(hù)面積A=15m2；根據(jù)公式(1)煙霧探測數(shù)量N=88/15=5.9，取整數(shù)為6。

將6個(gè)煙霧探測器均勻布置在貨艙頂棚，同時(shí)保證這些探測器分布在飛機(jī)對稱面內(nèi)。根據(jù)飛機(jī)貨艙數(shù)模建立FDS模型，見圖10，其中貨艙前段、尾段和內(nèi)部設(shè)施的非規(guī)則曲面采用4.2節(jié)提出的方法進(jìn)行建模。

對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)置貨艙供氣口和排氣口屬性，壁面、地板、貨物集裝箱和各種設(shè)施的材料屬性。煙霧探測器的告警閾值為透光率80%/ft～85%/ft。采用4.4節(jié)提供的模型來定義探測器的響應(yīng)時(shí)間，由供應(yīng)

圖10 某型運(yùn)輸機(jī)貨艙FDS模型Fig.10 FDS model of a transport aircraft cargo compartment

商標(biāo)定的4個(gè)煙霧探測器特征參數(shù)為αc=1.0，βc=-0.8，αe=1.8，βe=-1.1。

將上述參數(shù)輸入到煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺中進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得到的探測器響應(yīng)時(shí)間，以遺傳算法為工具進(jìn)行布置優(yōu)化，經(jīng)過兩輪迭代，輸出了滿足1min響應(yīng)時(shí)間要求的煙霧探測系統(tǒng)布置，見圖11。

圖11 煙霧探測系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.11 Smoke detection system simulation result

7 結(jié)論

本文給出了一套飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)方法，采用數(shù)值仿真技術(shù)指導(dǎo)飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并開發(fā)出了一套煙霧探測系統(tǒng)布置優(yōu)化平臺，提高了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和精度，為提高飛機(jī)火災(zāi)安全設(shè)計(jì)提供了參考。

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[7]McGrattanKB,etal.Firedynamicssimulatortechnicalreferenceguide(Version5)[M].Washington,DC:NationalInstituteofStandardsandTechnologySpecialPublication, 2007: 39-40.

Placement optimization and platform development of aircraft cargo smoke detection system

ZHANG Pei1,2, MENG Manli1, WANG Jian2

(1.AVIC The First Aircraft Institute，Xi’an 710089, China; 2.State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

This paper discusses the aircraft cargo compartment smoke detection system placement principles. A placement method is proposed, and an optimization platform is developed for the smoke detection system. Several key technical issues of smoke detection system are discussed in detail, and an example on transport aircraft is given and simulated.

Smoke detection; Placement method; Simulation

2016-01-14；修改日期：2016-07-11

張沛(1982-)，高級工程師，博士生，研究方向是飛機(jī)防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)，火災(zāi)仿真研究。

汪箭，E-mail:wangj@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00228-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.11

X93; X932

A