王洋洋 潘俊 劉文怡

摘要：通過試驗和數(shù)值計算方法研究了六邊形阻火單元結(jié)構(gòu)火焰抑制器的流阻特性，分析了火焰抑制器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流阻特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著六邊形通道邊長的減小，火焰抑制器的流阻急劇增大;隨著六邊形通道壁厚的增加，火焰抑制器的流阻呈增大趨勢;阻火單元長度越長，火焰抑制器流阻越大。因此，在火焰抑制器設(shè)計過程中，在滿足阻火、耐燒及結(jié)構(gòu)強度等設(shè)計要求下，應選取較大的六邊形通道邊長、較小的六邊形通道壁厚和阻火單元長度。

關(guān)鍵詞：火焰抑制器;流阻特性;阻火單元;試驗;數(shù)值計算

中圖分類號：V228.7 文獻標識碼：A

1980年，美國航空防火抑爆委員會（SAFER）回顧了自1960年起全球運輸類飛機發(fā)生的油箱爆炸事故，對能夠延遲地面狀態(tài)的火焰蔓延和隨之而來的油箱爆炸事故的幾種方法進行對比評估，如油箱惰化系統(tǒng)、通氣口安裝火焰抑制器及燃油箱抑爆系統(tǒng)等，SAFER發(fā)現(xiàn)在油箱通氣口安裝火焰抑制器是當時最切實可用的方法[1-5]，并在其發(fā)布的總結(jié)性報告中明確了在油箱出口和通氣管路上安裝火焰抑制器的重要性。

SAFER的結(jié)論極大地促進了機載火焰抑制器的研究與開發(fā)，目前火焰抑制器已廣泛應用于各類飛機燃油箱通氣系統(tǒng)之中，用于延遲地面火焰的蔓延和隨后產(chǎn)生的爆炸，為全體乘員的安全疏散提供更多時間。在國外，機載火焰抑制器已是較為成熟的航空貨架商品，獲得了廣泛應用;但在國內(nèi)，由于民用飛機研制工作剛剛起步，國產(chǎn)機載火焰抑制器研究與應用較少。

因此，本文對火焰抑制器流阻特性進行了理論和試驗研究，其研究結(jié)果可以為國產(chǎn)機載火焰抑制器的設(shè)計提供依據(jù)，滿足國內(nèi)飛機研制任務(wù)的迫切需要，對于民用飛機和軍用飛機的發(fā)展都將起到積極的促進作用。

1 火焰抑制器結(jié)構(gòu)形式及原理

自從Humphry Davy應用金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)解決19世紀經(jīng)常發(fā)生的礦井爆炸事故以來，多種不同結(jié)構(gòu)類型的火焰抑制器被提出并應用[6]，這些火焰抑制器都遵循了一個基本原理，即移除火焰中的熱量使得火焰溫度達到不能支持燃燒的溫度，從而造成火焰淬熄[7]。機載火焰抑制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由阻火單元和外殼組成，通過法蘭與管道連接。外殼具有高強度高抗爆能力，可抵擋由于雷電所引發(fā)的爆燃或爆轟沖擊;內(nèi)部的阻火單元是機載火焰抑制器的核心，由多個特定尺寸的狹窄通道組成[8]。目前，六邊形阻火單元結(jié)構(gòu)是機載火焰抑制器應用最多的結(jié)構(gòu)形式。

2 火焰抑制器流阻數(shù)學模型

2.1 流通面積比

本節(jié)選取六邊形阻火單元結(jié)構(gòu)火焰抑制器為研究對象，在一定尺寸管道、通道壁厚及特征尺寸條件下，計算其流通面積比（流通面積/管道橫截面積）。分析計算的基礎(chǔ)條件為：六邊形通道邊長L_n=0.866mm，六邊形通道壁厚w=0.1mm，所以六邊形通道外邊界的邊長L_w=0.924mm，外邊界次對角線距離D=1.6mm，方形通道截面長A=88mm，方形通道截面寬B=22mm，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

六邊形通道外邊界邊長：

六邊形外邊界次對角線長度：

對于第i層，六邊形次對角線距離頂邊的距離為：

h（i）=h（i-1）+1.5L_w（3）

對于奇數(shù)層：

m（i）=B（4）

對于偶數(shù)層：

m（i）=B-D/2（5）

第i層六邊形單元個數(shù)：

n（i）=m（i）/D（6）

第i層流通面積：

S（i）= n（i）·L_n·L_n·sin（π/3）·3（7）

流通面積比：

以上各式中的符號意義與圖1一致。計算得到的流通面積比R_a=82.6%。

2.2 流動阻力

流體流經(jīng)火焰抑制器時，一般在阻火單元進口處發(fā)生流動收縮，而在出口處發(fā)生流動膨脹。這種突然的流動收縮和膨脹，都會引起附加的流體壓力損失;此外，流體流經(jīng)阻火單元時會有摩擦損失。這些損失的綜合，就構(gòu)成了流體的總壓力損失，其大小標志著火焰抑制器的阻力特性[9]。

圖3表示火焰抑制器內(nèi)部流動情況，流體由截面1-1流入截面a-a時的壓力損失由兩部分組成：（1）由于面積收縮，流體的動能增加引起的壓力損失，是流體壓力能與動能之間的能量轉(zhuǎn)換。這種壓力變化是可逆的。（2）由于突縮段不可逆自由膨脹引起的壓力降低。流體經(jīng)過收縮斷面產(chǎn)生邊界層分離，隨著收縮斷面下游速度分布的變化，動量速率也發(fā)生變化，從而引起相應的壓力變化[9]。一般情況下，流體流經(jīng)火焰抑制器的密度變化很小，通?？勺鞒Ｃ芏忍幚?。假設(shè)截面1-1，a-a，b-b，2-2處的流體速度分別為u₁，u_a，u_b，u₂。

由質(zhì)量守恒可得：

u₁=u₂（9）

u_a=u_b（10）

Q=ρ·u₁·A=ρ·u_a·A·R_a（11）

入口處流體動能增加量為：

則進口壓力損失可以表示為：式中：ρ為流體密度，單位為kg/m³;R_a為火焰抑制器流通面積比;A為火焰抑制器入口截面積，單位為m³;Q為流體的質(zhì)量流量，單位為kg/s;K₁為進口壓力損失系數(shù)。

同樣，流體由截面b-b到截面2-2的出口壓力回升分成兩部分：（1）由于流動截面積變化引起的壓力升高，不考慮摩擦，其表達形式與人口壓力損失相同;（2）由于突擴段不可逆自由膨脹和動量變化引起的壓力損失[9]。則出口壓力回升表示為：式中：K₂為出口壓力損失系數(shù)。

火焰抑制器阻火單元內(nèi)的壓力損失主要由流體與壁面之間的黏性摩擦損失引起的。對單個阻火單元通道的截面a-a到截面b-b的控制面應用動量定理，可得：式中：S為單個阻火通道橫截面積，單位為m²;L_n為六邊形通道邊長，單位為m; f為摩擦因子;Q_i為單個通道的流量，單位為kg/s。

則流體流過阻火單元的壓力降可以表示為：

因此，火焰抑制器的總壓降為：

ΔP=Δp₁-△p₂+△p₃（19）

3 流阻特性試驗系統(tǒng)

在國際上，火焰抑制器的性能檢測屬于壟斷技術(shù)，歐美國家已經(jīng)建立了相對完善的理論體系和技術(shù)規(guī)范;然而國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究開展較晚，在一些基礎(chǔ)問題和關(guān)鍵技術(shù)方面仍存在很多缺陷，目前國內(nèi)尚未有火焰抑制器性能測試的專業(yè)試驗機構(gòu)及完整的測試系統(tǒng)，而且性能測試標準大多參考的國外相關(guān)標準，更新周期長，體系不完善。目前國內(nèi)外關(guān)于火焰抑制器的相關(guān)標準有歐洲標準EN-12874、國際標準ISO-16852、美國民航局適航標準AC25.975、中國石油天然氣行業(yè)標準SH/T3413-1999、國家標準GB5908-2005和國家標準GB/T13347-2010等。本文流阻特性試驗以國家標準GB/T13347-2010中提到的壓力損失、通氣量試驗為基準，同時參考美國民航局適航標準AC25.975[5]、PARKER公司阻火器測試報告[10]中的流通性能測試方法，考慮到通過機載火焰抑制器的流動介質(zhì)為空氣和航空燃油，因此，在壓力損失方面要分為對這兩種介質(zhì)進行測定。

3.1 空氣流通試驗

將火焰抑制器安裝在空氣流通測試裝置上，測試原理如圖4所示。

從火焰抑制器人口端通入試驗介質(zhì)，在進氣口附近用壓力計、溫度計測定空氣狀態(tài)。試驗介質(zhì)所用空氣狀態(tài)為：絕對壓力0.1MPa，溫度20℃，相對濕度50%，密度1.2kg/m³。

起動風機，調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，試驗起初的空氣體積流量為0.2832m³/min，然后流量依次增加0.1419m³/min，直至增加到體積流量為2.1238m³/min為止。記錄每個流量下的火焰抑制器壓降值。

3.2 燃油流通試驗

將火焰抑制器安裝在燃油流通測試裝置上，測試原理如圖5所示。

從火焰抑制器入口端通入燃油，在進氣口附近用壓力計、溫度計和流量計測定燃油狀態(tài)，試驗所用燃油狀態(tài)為：溫度范圍為15～27℃，密度為0.803～0.810。

通過調(diào)節(jié)流量控制閥實現(xiàn)燃油的流量控制，試驗起初通過火焰抑制器的燃油體積流量為0.0379m³/min，然后流量依次增加0.0379m³/min，直至增加到體積流量為0.4542m³/min為止。記錄每個流量下的壓降值。

在試驗中發(fā)現(xiàn)，空氣流過火焰抑制器的流阻很小（小于1kPa），受壓差計誤差影響太大，因此測得的流阻數(shù)據(jù)沒有參考價值，所以僅將燃油流通試驗結(jié)果與

參考文獻[10]中的試驗結(jié)果及本文計算結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖6所示。

從試驗結(jié)果可以看出，流過火焰抑制器的流阻隨流量增加呈增大趨勢，本文計算結(jié)果和兩組試驗數(shù)據(jù)在小流量情況下比較吻合，在大流量情況下偏差較大，這是因為試驗過程中，整個試驗夾具放置在一個大油箱內(nèi)，油箱內(nèi)燃油積累到一定程度時再開啟循環(huán)油泵抽走油箱內(nèi)的燃油。在流量較大時，油箱內(nèi)的燃油不能及時抽走，致使油面超過了火焰抑制器出口，所以使得讀數(shù)偏大。因此可認為本文所推導的數(shù)學模型基本正確，能夠用于后續(xù)工程設(shè)計計算。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對流阻的影響

在火焰抑制器設(shè)計過程中，主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：六邊形通道邊長L_n、六邊形通道壁厚w和阻火單元長度L。本節(jié)應用本文建立的數(shù)學模型，在一定的管道尺寸下，計算了不同六邊形通道邊長、六邊形通道壁厚和阻火單元長度下的火焰抑制器流阻特性，結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7選取了4種不同的六邊形通道邊長，得到了火焰抑制器的P-Q曲線，從圖中可知，隨著六邊形通道邊長的減小，火焰抑制器的流阻急劇增大，而且當六邊形通道邊長達到0.75mm時，增加六邊形通道邊長帶來的流阻降低不明顯。六邊形通道尺寸決定著火焰抑制器是否能夠使火焰有效淬熄，因此，在火焰抑制器設(shè)計時，為尋求最小的流通阻力，應在阻火能力范圍內(nèi)選取最大的六邊形通道邊長，因此，根據(jù)火焰抑制器阻火要求，針對不同等級氣體的六邊形通道邊長選型結(jié)果見表1。

圖8選取了三種不同的六邊形通道壁厚，得到了火焰抑制器的P-Q曲線，從圖中可知，隨著六邊形通道壁厚的增加，火焰抑制器的流阻急劇增大，同時六邊形通道壁厚影響著整個火焰抑制器的結(jié)構(gòu)強度，因此，在火焰抑制器設(shè)計過程中，應折中考慮結(jié)構(gòu)強度與流動阻力，選取最優(yōu)的六邊形通道壁厚。工程應用中，火焰抑制器要求的破損壓力達137.90kPa，火焰抑制器阻火芯的材料為321不銹鋼，因此，推薦選用的最優(yōu)六邊形通道壁厚為0.1mm。

圖9選取了4種不同的阻火單元長度，得到了火焰抑制器的p-Q曲線，從圖中可知，阻火單元長度越長，火焰抑制器流阻越大;同時阻火單元越長，火焰抑制器的耐燒性能越好，因此在火焰抑制器設(shè)計過程中，應在保證設(shè)計要求的耐燒能力下，選取最小的阻火單元長度。根據(jù)AC25.975要求，火焰抑制器應能夠達到2.5min的耐燒時間要求，且燃油流量為24m³/h時，燃油通過火焰抑制器時產(chǎn)生的壓降不能超過17.24kPa，因此推薦選用的阻火單元長度為50mm。

5 結(jié)論

通過分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）本文建立的六邊形阻火單元火焰抑制器流阻特性數(shù)學模型具有較好的準確性，可以擴展到其他類型火焰抑制器及相似結(jié)構(gòu)裝置的流阻特性計算中，如耗氧型惰化系統(tǒng)催化反應器、膜分離惰化系統(tǒng)臭氧轉(zhuǎn)換器等，具有較強的工程應用背景。

（2）火焰抑制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流阻特性的影響較大，火焰抑制器的流阻與六邊形通道邊長成反比，與六邊形通道壁厚及阻火單元長度成正比。

（3）設(shè)計過程中，應綜合考慮耐燒、阻火、結(jié)構(gòu)強度和流阻性能，在滿足其他幾項性能條件下，為了保證良好的流阻特性，火焰抑制器六邊形通道邊長應盡量大，六邊形通道壁厚和阻火單元長度應盡量小。

參考文獻

[1]孫安宏，方耀申.直升機閃電防護符合性驗證的幾個問題[J].中國民用航空，1996（5）：50-52.

[2]王天順，雷虹，李鋒，等.飛機雷電防護設(shè)計與鑒定試驗[J].飛機設(shè)計，2009，29（5）：54-59.

[3]羅臺福.雷擊對飛行安全的危害[J].中國民航飛行學院學報，1998（4）：41-42.

[4]Goodloe C C.Lightning protection guidelines for aerospacevehicles[R].NASA/TM-1999-209734， 1999.

[5]FAA Draft AC 25-975 Fuel tank vents and carburetor vaporvents[S].FAA，2016.

[6]Edwards K L，Norris M J.Materials and constructions usedin devices to prevent the spread of flames in pipelines andvessels[J].Materials&Design，1999，20（5）：245-252.

[7]Stanley S Grossel.Deflagration and detonation flamearresters[M].New York：Guidelines for Engineering for ProcessDesign Safety，2010.

[8]李征宇.機載火焰抑制器設(shè)計與性能分析[D].南京：南京航空航天大學，2016：12-13.

[9]余建祖.換熱器原理與設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[10]Parker.Qualification test report for the flame arrestor[R].Irvine，California：Parker Air&Fuel Division，2007.