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附录A 译文
基于AMESim的不同充装条件下
灭火器气体灭火剂释放特性模拟
Jia-mingJINa,Feng-linANb,YiSHOUa,Ren-mingPANa,YangXUANb,*,Quan-weiLIa,*
a.南京理工大学化工学院，南京210094
b.上海飞机设计研究院，上海201210
摘要
为了研究灭火器在不同填充条件下的气体灭火剂的释放特性，建立了气体灭火剂喷射试验平台。利用AMESim建立了气体灭火器喷射气体灭火剂的计算模型，采用二相流模型模拟了气体灭火剂的喷射性能。通过改变初始温度和填充压力，模拟容器出口处的压力变化，然后着重分析出口处压力和释放时间的变化。结果表明，在不同的初始温度下，灭火器的出口处压力基本上具有相同的趋势；所有出口处压力都随着喷射时间迅速下降，然后趋于平缓。当填充压力较低时，灭火器在不同初始温度下的出口处压力差异很大，在较高的初始温度下的释放过程中可以明显看到存在突然的斜率变化。当初始温度在-30℃至30℃范围内时，在不同填充压力下喷射时间随着初始温度的上升而缩短。此外，随着喷射时间的迅速减少，灭火器的出口处压力趋于平缓。在不同的填充压力下，灭火器的出口处压力随喷射时间迅速下降，然后趋于平缓。
关键词 AMESim；气体灭火剂；填充条件；出口处压力；二相流模拟
1 引言
如果在高空飞行的飞机上发生火灾，最有可能造成严重的飞行事故。为解决这一问题，自动灭火系统通常设置在货舱，发动机舱，APU机舱，卫生间等易着火的地方，便于确保乘客和飞机的安全。
在飞机的灭火系统中，当灭火系统触发时，灭火剂从灭火器容器中流过管道和喷嘴，最后喷射到着火的地方。由于管道内的阻力，灭火剂在容器出口和喷嘴入口之间具有差压（Delta;P），这是容器的出口处压力（P1）与喷嘴入口的压力（P2）之间的差值。由于灭火剂的喷射与P2紧密相关， P1和Delta;P的精确计算对于工程设计中灭火系统的设计极为重要。鉴于Halon 1301在民用航空飞机的灭火系统中的应用仍然十分广泛，Halon 1301的物理和化学性能比较完整。本文以Halon1301为例，研究初始温度、填充密度和填充压力对容器出口处压力的影响。
在国际上，美国国家航空航天局（NASA）喷气动力实验室的D.G. Elliott等人[1]在1984年使用了二相流的均匀平衡模型来解释有关Halon系统的管道和喷嘴瞬态流动的问题，并建立了用氮气加压的Halon 1301灭火剂流量的压降计算模型。K. Tuzla等人[2] 开发了一种基于Relap5的灭火系统模拟软件。 J.C. Yang等人[3] 构建了一种气液平衡模型，用于模拟瞬时的管道释放灭火剂。一个使用该模型的汽液平衡单独的计算机程序可以获得热力学性质和填充条件。 T.G. Cleary等人[4]在研究中发现， HFC-227ea和Halon 1301的流动特性受储存瓶的初始温度、储存压力和管道配置的影响。他们[5]制造了一种设备来研究备选灭火剂和Halon 1301的压降和流动时间，并设计了不同的储存条件和管道配置。同时研究了三种Halon备选灭火剂的流动特性。这三种备选灭火剂显示出与Halon 1301类似的管道流动特性，他们开发了一种计算机计算模型，可以模拟氮气增压剂的稳态和瞬态释放。
在中国，LIU Lian-xi等[6]通过分析HFC-23在管道网络各部分的流动状态和流动压力-时间曲线说明了HFC-23在气液二相条件下的压力损失。他们推导出压降计算公式，并与实际测试数据进行对比，证明理论结果与实验结果吻合良好。LUO Ming-hong等人[7]深入研究了IG541自动灭火系统。他们选择合适的管道直径，确定阻力系数并计算沿管道的压降。他们还写了一个实用工程的应用程序。在实验研究的基础上，HUA Wan-ren等人[8]利用计算流体动力学（CFD）软件应用程序Fluent模拟了HFC-227ea在管网中流动的阻力损失。据认为，管道网络中HFC-227ea灭火剂的流动可简化为单相液体流动。同时，他们认为计算机软件模拟可以取代实验测试，模拟结果可以用于实际工程。基于Peng-Robinson（PR）状态方程和Wong-Sandler（WS）混合规则，CHEN Meng- dong等[9]提出了一种计算氮气填充质量的预测方法。他们还分析了压力强度和氮气摩尔分数随容器内温度的变化，为后续分析灭火剂和氮气的释放过程奠定了基础。
上述研究人员主要专注于灭火系统管道网络的流动特性，以及灭火剂填充条件等因素的影响。然而，在他们的研究中很少关注填充条件，管道配置和喷嘴配置。
LMS AMESim是一个提供图形开发环境的应用程序，用于工程系统的建模，模拟和动态性能分析。它有一套标准的应用程序库。本文提供的模型主要由构成主要库的二相流库，气动库，气动元件设计库，以及构成支持库的机械库和信号控制库等不同应用程序库组件组成。不同的应用程序库彼此兼容，无需大量额外的编程工作。而且，这些模型中的每一个都提供了最基本的工程模块。他们可以通过这些工程单位模型的组合来描述任何组件或系统功能。
基于简化的灭火剂流动管道结构，本文采用AMESim应用库的特殊功能模块，模拟灭火系统的填充条件对容器出口处压力（P1）的影响。这为进一步研究管道中灭火剂的流动扩散特性和流出喷嘴后的流动扩散模式奠定了基础。
2 建模
2.1 模型
灭火系统由灭火器容器，气缸阀，管道和喷嘴组成，如图1所示。
这个容器是一个由不锈钢制成的球形罐，容量为1.4L。管道长1m，内径14.1mm。喷嘴是直通的，其内径与管子的内径相同。灭火剂是Halon 1301，由氮气驱动。氮气和Halon1301的气液体积比为0.65:0.75。气缸阀的填充压力为2.5MPa，4.2MPa和10MPa。该试剂的初始温度分别为-30℃，-20℃，0℃，20℃和30℃。
图1.灭火器测试平台
2.2 模拟
二相流模型用于模拟灭火剂的释放特性。AMESim的内置求解器用于计算二相流模型。物理量可以通过建立的模拟模型和预设的初始条件和边界条件来求解。根据2.1节模型的设计，选择相关部件构建气体灭火器容器的模拟模型，包括气动库，机械设计库和二相流库。由二相流库提供的流动特性和节流阀用于构造灭火器的出口部件。容器和出口组件的模拟模型构成了释放特性测试系统的模型，其容器受填充条件的影响，如图2所示。计算中使用的组件和参数设置列于附录1中。鉴于实际工业控制的复杂性，为了简化计算，本文在模拟中采用了以下假设：
(1) 氮气和Halon1301不在灭火器容器中混合;
(2) 喷射过程中只有Halon 1301从灭火器气缸中射出;
(3)灭火器和管道不与外部环境进行热交换。
在该系统中，灭火器容器由气动容积（PNCH012），带固定体的气动活塞（PNPA001），质量（MAS005），带固定体的二相流活塞（TPFBAP12）和二相流量体积（TBFBHC11）；容器的出口通过信号端口插头（SSINK）连接到传感器（TPFGS010）。可以通过传感器记录和计算出口处灭火剂的温度，压力和密度。传感器的另一侧与绝热光滑管（TPFP002）连接，该管模拟了灭火剂流过的简化管道。最后，二相流量限制器（TPFGR00）与箱体（TPFCPHS000）连接，该箱体模拟Halon1301喷射的外部保护区域。该设计考虑了气液分层的存在。它可以模拟在第一阶段使用氮气作为驱动气体将Halon1301从容器中释放的过程。
图2.灭火器容器的释放特性测试系统的模型
3 结果和讨论
3.1 初始温度对灭火器容器出口处压力的影响
模拟分别在2.5MPa，4.2MPa和10MPa的填充压力下进行。管道长度为1m，液压直径为14.1mm。管道是水平的、绝热的和光滑的。灭火器容器中氮和Halon1301气液比为0.65:0.75。当系统的初始填充温度分别为-30℃，-20℃，0℃，20℃和30℃时，计算出口容器的压力曲线，计算结果如图3(a)至3(c)所示。
图3. 灭火器容器在不同初始温度下的出口处压力
(a) 填充压力为2.5MPa时。(b) 填充压力为4.2MPa。(c) 填充压力为10MPa。
图3(a)至3(c)显示了灭火器容器在出口处的压力（P1）随着在不同初始温度下的释放时间（t）而变化。压力曲线表明，在不同的初始温度下，容器的出口处压力与释放时间基本相同。压力随时间迅速下降，然后趋于平缓。当填充压力较小时，不同初始温度下容器的出口处压力差异很大，在释放过程中可以看到明显的斜率变化，初始温度越高，变化越明显。主要原因是较高的初始温度导致液体Halon1301更早地气化，这增加了容器中的压力并抵消了由灭火剂释放引起的一部分压降。因此，容器出口的压力曲线突然改变。然而，在高填充压力的条件下，在释放过程中较大的压降使得灭火剂的蒸汽压力大大下降，并且蒸汽气压远小于灭火剂的释放过程的压降率。因此，当填充压力较高时，在不同的初始温度下容器的出口处压力没有显着差异。当填充压力低时，没有像出口处压力曲线那样明显的斜率变化。
在图3(a)中，当填充压力为2.5MPa时，容器的出口处压力曲线显示出明显的斜率变化。为了得到突变的原因，计算出口处Halon 1301的密度，计算结果如图4所示。
图4.当填充压力为2.5MPa时，灭火器容器在不同初始温度下的出口处密度
从图4中可以看出，Halon 1301在不同初始温度下的出口处密度突然下降，并且与压力突然变化的时间点一致。密度变化点表明Halon 1301在流动过程中开始发生相变，并逐渐从液相变为气相。相变过程产生大量的Halon1301的饱和蒸汽，补充由灭火剂释放引起的一部分压降，从而减慢容器的出口压降速率。在-30℃，-20℃，0℃，20℃和30℃温度下的相变时间分别为0.91s，0.55s，0.21s，0.07s和0.04s，与图3(a)中压力曲线的斜率突然变化点一致。这表明相变是灭火器容器出口处压力突然变化的重要原因。
3.2 初始温度对释放时间的影响
这里释放时间是喷射混合气体灭火剂达到设计量的95％的时间。在本文中，当下降到填充压力的5％时，容器的残余压力是一个标志。
当填充压力为2.5MPa时，压力曲线如图3(a)所示， 5％的填充压力为0.125MPa。当初始温度为-30℃，-20℃，0℃，20℃和30℃时，相应的释放时间分别为1.22s， 0.94s， 0.61s， 0.49s和0.46s。
当填充压力为4.2MPa时，压力曲线如图3(b)所示， 5％的填充压力为0.21MPa。当初始温度为-30℃，-20℃，0℃，20℃和30℃时，相应的释放时间分别为1.34s， 1.15s， 0.76s， 0.54s和0.47s。
当填充压力为10MPa时，压力曲线如图3(c)所示，5％的填充压力为0.5MPa。当初始温度为-30℃，-20℃，0℃，20℃和30℃时，相应的释放时间分别为1.07s，1.05s，0.98s，0.73s和0.64s。
绘制上述数据，结果如图5所示
图5.不同填充压力下的释放时间
图5显示了不同填充压力下的初始温度-释放时间曲线。可以看出，释放时间相对于初始温度的斜率基本一致，初始温度随着初始温度的升高而缩短。
3.3 填充压力对灭火器容器出口处压力的影响
计算容器出口处的压力曲线，计算结果如图6(a)至6(e)所示 。
图6. 灭火器容器在不同填充压力下出口处的压力
- 初始温度为-30℃；(b)初始温度为-20℃； (c)初始温度为0℃；(d)初始温度为20℃；(e)初始温度为30℃。
图6(a)至6(e)显示灭火器容器的出口处压力随着在不同填充压力下的释放时间（t）而变化。可以看出，容器的出口处压力与释放时间基本上在不同的填充压力下具有相同的趋势，曲线随时间迅速下降，然后趋于平缓。因此，本文解决了出口处压力的系数，压力变化率曲线如图7(a)至7(e)。
图7. 不同填充压力下容器的出口处压力变化率
- 初始温度为-30℃时；(b)初始温度为-20℃；(c)初始温度为0℃；(d)初始温度为20℃；(e)初始温度为30℃。
可以看出，当初始温度高于0℃时，灭火器出口处的压力变化率明显变化。当初始温度低于0℃时，压力变化率不会发生显着变化。当初始温度较高时，填充压力越低，出口处压力的压力曲线的突然变化越明显。当初始温度较低时，填充压力的变化对出口处压力变化率曲线的突然变化没有明显影响。当填充压力一般时，初始温度越高，出口处压力曲线的变化率的突然变化越明显，压力曲线中的凸出越明显。
4结论
基于简化的灭火剂流管结构，本文采用AMESim应用库中的专业功能模块，模拟灭火系统的填充条件对灭火器容器的出口处压力（P1）的影响。主要结论如下：
(1) 不同初始温度下容器的出口处压力（P1）基本上具有相同的趋势，随着释放时间（t）迅速下降，然后趋
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