康中英
津航空机电有限公司 300308
摘要：哈龙1301灭火剂因其高效的灭火能力、良好的扩散性和喷射后无残留等优点，被应用于各型飞机发动机舱、APU舱灭火，其灭火方式主要是将1301灭火剂喷射到保护对象周围，实施全淹没灭火。通过对影响1301灭火器喷射性能的各相关因素进行分析，给出了影响喷射性能各参数的选用建议，可用于指导航空灭火器喷射性能的改进。
关键词：喷射性能；1301灭火剂；航空灭火器
1引言
哈龙1301由于其较强的扩散能力、高效的灭火能力和喷射后无残留等优点，一直以来都是国内航空灭火器配置的主要对象，主要用于飞机发动机舱和APU舱灭火。传统的航空灭火器是通过管路将灭火剂输送至着火部位，通过合理布置的雾化喷嘴将灭火剂释放至指定舱内实施灭火，对灭火器喷射时间要求不高。
近年来，随着防火抑爆系统的出现，对灭火器喷射时间提出了更高的要求，要求灭火器实现毫秒级喷射灭火，用于扑灭飞机上产生的初期火灾或爆炸，防止二次爆燃。同时，各型飞机随着需求变化都要考虑灭火器喷射性能的改进工作。
本文研究了影响航空1301灭火器喷射性能的各个因素，并对灭火器喷射性能的改进提出了意见和方向，可用于指导新型灭火器的设计过程，满足其在飞机上使用的要求。
2灭火器喷射模型
1301灭火器内部充装液态哈龙1301灭火剂和增压氮气，其中部分氮气溶解在液态1301灭火剂中，部分1301灭火剂蒸汽混合到氮气中。正常储存情况下，1301灭火器内部是以气液两相形式存在的。
一旦发生火灾，灭火器释放阀门打开，灭火剂在高压氮气推动下喷射到外部或管路中，此时容器内气体膨胀，压力降低，伴随着少量1301灭火剂的蒸发和溶解的氮气分离，当灭火剂完全喷射到外部时，大量氮气和1301蒸汽通过释放阀门喷出，这就是1301灭火器的整个喷射过程。
为简化物理模型，我们对1301灭火器喷射过程做出以下假设：
（1）将灭火器喷射过程看作是一个绝热过程，因为随着灭火器的喷射，在很短的喷射时间内，容器内流体来不及和外界进行换热；
（2）将灭火器内部的气液两相流体看作理想流体；
（3）将灭火剂喷射过程看作非稳态流动。
1301灭火器内部贮存压力高，释放口流体速度较大，雷诺数较高，并且还存在剧烈的相变过程，因此1301灭火器的喷射过程可采用湍流模型进行分析，其中为了简化运算，采用成熟的标准K-ε模型，在该模型中，湍流粘性系数μt可表示为
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标准K-ε模型是高雷诺数的湍流模型，旨在求解处于湍流核心的流体流动，而壁面函数是对近壁区的半经验描述，是对湍流模型的补充。为计算稳定，近壁区选用标准壁面函数。
3各参数对灭火器喷射性能影响分析
1301灭火器内部储存1301灭火剂和增压氮气，其喷射原理是通过增压氮气推动灭火剂释放到指定位置实施灭火。一般来说，影响灭火器喷射性能的参数主要有贮存压力、充装密度、承压容器的长径比以及释放口直径等参数，本文定性分析了各参数对灭火器喷射性能的影响。
（1）贮存压力
贮存压力指的是灭火器内部的气体压力，包括气态的氮气和蒸发产生的哈龙1301蒸汽。
1301灭火剂随温度变化内部压力会发生剧烈变化，为了减小这种情况对压力容器设计的负担，行业内经过大量研究，基本确定的1301灭火器的两个贮存压力等级为2.5MPa（表压）和4.2MPa（表压）。
为了保证其在保护位置的浓度扩散要求，飞机发动机舱和APU舱的灭火器目前主要采用的是4.2MPa等级的贮存压力。
因此，虽然改变贮存压力对灭火器喷射性能有极大提升，但也增加了灭火器的设计难度，一般只在两个压力等级之间进行选择，而不重新设计。
（2）充装密度
承压容器内灭火剂重量与承压容器总容积之比称为充装密度，灭火系统充装密度可按下式计算：
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其中，为灭火器充装密度，为灭火剂重量，V为承压容器的总容积。
经研究发现，随着充装密度的增大，灭火器内部压力随温度变化越剧烈，此时对灭火器设计要求更高，要求承压容器、密封结构的可靠性更高，同时风险也更大。
因此，一般是在合理范围内选择灭火器的充装密度，一般充装密度应不大于1kg/m3。
充装密度的大小代表容器内气体相对量的大小，充装密度越大，则氮气相对越少，充装密度小，则氮气相对越多。图1为充装密度分别为1kg/L、0.9 kg/L、0.8 kg/L时容器喷射时内部压力的变化，从图中可以看出，充装密度越大，喷射过程中容器内压力下降得越快，整个灭火器喷射效果呈现“前段快速、后段慢速、速度分布不均匀”的特征。
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1301灭火器的充装密度越小，容器内部氮气越多，有利于灭火剂的喷射过程，但过低的充装密度，充装的灭火剂太少，储存同样多灭火剂需要的容器数量更多，经济性较差；反之，充装密度越大，灭火器的利用率越高，便于飞机减重，但随着灭火器喷射，压力降低较快，喷射效果很差，不适用于对喷射性能要求较高的场合。
因此，充装密度的选择应综合考虑各种情况，从喷射性能、重量、经济性、容器设计等多个维度综合考虑权衡决定。
（3）承压容器的结构形式
常用的灭火器结构形式主要有球形和圆柱形两种，相同容积和耐压强度下，球形薄壁气瓶比圆柱形气瓶重量更轻，也更好布置各个功能接口，适用于大多数场合的航空灭火器；但从流体力学角度来讲，球形承压容器不利于灭火器的喷射过程，因为其流阻系数更高，影响了喷射速度，因此对要求快速喷射的灭火器来说，一般选用圆柱形气瓶。
（4）释放口直径
对于想改进灭火器喷射速度和流量的情况，释放口直径是主要影响因素，随着释放口直径增大，其喷射速度成比例增加。
图2为释放口直径为Ф20mm，Ф30mm，Ф40mm时容器内压力变化情况，可以看出随时释放口直径增大，灭火器内部压力快速降低，这是因为释放口直径越大，释放口处灭火剂的流量越大，喷射速度越快，灭火器喷射时间越短。
因此，若灭火器改进需提升喷射速度，调整释放口直径是最为有效的方法，但此时需要对喷射结构进行改进，工作量比较大。
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4结论
通过对1301灭火器喷射过程进行分析，建立灭火器喷射过程模型，并利用对影响灭火器喷射性能的各参数进行分析，得出了各参数对灭火器喷射过程的影响情况和选用原则，可用于指导新型灭火器的喷射性能改进研究。
参考文献
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