1引言
飞机自20世纪发明以来，已经成为极为重要的交通工具。据统计，全球民用飞机已经达到上万架次，一年客运量已经超过30亿人次，运输货物上千万吨。通过上述数据，我们可以看到，航空业通过快速的发展，已经对我们的世界产生了深远的影响。岳兴楠、于晓芳[1，2]等人的研究表明飞机火灾对飞机安全飞行的影响，一方面会摧毁飞机的运行系统，另一方面会引起人们的恐慌致使飞机重心变化而失控，而留给机组人员和乘客的处置时间是很短暂的，最多也只有30分钟，所以对飞机货舱的火灾的预防控制是很有必要的。李枣[3]等人对飞机火灾事故进行了分类。针对飞机舱室内压力变化引起的火灾，胡军锋[4,5]等人就飞机舱室在定压力的条件下已有了一定的研究。而变压力的条件下根据肖隽然[6]等人的研究表明飞机的飞行过程包括起飞、巡航、降落三个阶段，起飞和降落过程均为变压力条件，而这种变压力情况下飞机火灾危险性的研究较为匮乏。然这种变压力条件是每架飞机飞行过程中得必经过程，所以本文就这种飞机舱室变压力的条件下的温度和烟气用PyroSim、FDS等软件进行模拟，为飞机舱室火灾的预防提供一定的参考建议。
2 模型建立
本文以一个实际的1:1波音737-700前货舱作为模型开展研究。根据波音737-700的实际尺寸，模型为上宽下窄弧形壁面扁平柱体。其长度为467cm，高112cm，底面宽122cm，顶面宽300cm。壁面厚8mm。其货舱所处的环境为静风，室温25℃，货舱外部为常压101kPa
本文的模型建立基于火灾模拟软件PyroSim，因PyroSim软件只能应用长方体表达模拟模型，所以此次建模时只能采用多个长方体组合表达的方法代替需要建立的模型。从Pyrosim内置坐标轴原点出发，沿X、Y、Z轴方向建立长500.0cm、宽320.0cm、高150.0cm的网格。如图1所示。并且对于无量纲火源，网格密度需尽量满足以下条件：
（1）
其中，Q表示火灾热释放率；表示火灾特征直径；表示环境温度（本模拟中即为25℃）；为定压比热；g 表示重力加速度；表示环境密度（本模拟中即为空气密度，为1.29kg/m³）。
（2）
同时考虑到网格密度对于计算机计算量的影响最终选定网格尺寸为0.05m×0.05m×0.05m，网格数量192000个，既满足了计算精度和又保证计算机的运算效率。网格划分分布见如图1。
图1网格划分分布图
具体模型建立包括以下方面：
1）排风
我们希望通过排风口的抽气效果来实现货舱的压力变化。为了尽可能的减少排风口对于火源的影响，建模时将排风口安排在货舱底面的四周，排风口宽度均为0.1m，长度有4.67m和1.02m两组，分别安排在底面的长边和短边。排风口设置如下图2中黄色区域所示。
图2排风口
2）火源
本次模拟实验中的火源可燃物定义为聚氨酯火源功率有60kW/㎡和35kw/㎡两种，分别模拟代表两种不同受控条件下的飞机货舱火灾。60kW/㎡的火源功率模拟代表火灾发生时，飞机货舱内的灭火装置未能有效得对火灾进行控制，火灾火源功率相对较大。35kW/㎡的火源功率模拟代表火灾发生时，飞机货舱内的灭火装置对火灾进行了有效的控制，火灾火源功率相对较小。此次实验中火源只设置在飞机货舱的中央，离地高度0.1m，火源面积为0.5m×0.5m=0.25㎡以尽量接近飞机货舱行李火灾的实际情况。
3）模拟环境设置
模拟时间设为600s和1200s两种，飞机货舱内压力设为三组分别为100kPa-60kPa、100kPa-70kPa、100kPa-80kPa三种。
以模拟时间为600s，货舱内压强从100kPa变化至60kPa的这组算例为例简单介绍具体计算过程。通过对模型进行计算可得，货舱体积为13.29m³，排风口面积为1.138㎡，对于起始状态我们有方程：
对于模拟终止状态我们有方程：
方程（4）与方程（5）相比得n2=3/5n1，由此可以计算出n2=325.47mol，故抽出的气体的物质的量为130.24mol，由气体摩尔体积我们可以求得，抽出气体体积为5.316m³，所以排气口的排气速率可以求得为0.00779m/s，最后在PyroSim软件中进行相关设置，设置完成后，模型中的排风口会以固定速率在模拟时间内持续向货舱外排气，以实现飞机货舱压力的连续变化。
4）测点布置
本文共选择了温度、烟气两种测点。
所有测点水平高度都设置在飞机货舱顶部距离货舱上壁面0.05m处，都以货舱俯视图中点（2.5m.1.6m）为中心，沿X轴正反两个方向每隔0.5m设置一个测点，沿Y轴正反两个方向每隔0.4m设置一个测点。不同功能的测点相互重合（不同探测器不会产生影响）
现通过下表1，表示温度测点在货舱模型中的位置（烟气测点位置与温度测点相同），所示表中单位为：米（m）。
表1测点的位置
5）切片选择和布置
本文共设置了5个切片。在这里，对这个模型是选择X=2.5m、Y=1.6、Z=0.63m、Z=0.97m、Z=1.3m五个平面设置切面，如图3所示。
图3切片在模型中的位置
表2总模拟工况表
3、模拟结果分析与讨论
3.1正常大气压条件下飞机货舱活在温度特征
图4给出了正常大气压力条件下火源功率为60kW/㎡和35kW/㎡情况下飞机货舱温度变化曲线。通过两组变化曲线可以看出，正常压力条件下，火灾发生时，热源开始放热，除THCP1号传感器处的温度存在一定程度的波动外，其余传感器在0-300s的时间内监测温度从环境初始温度25℃开始持续上升，并都在实验开始以后的300s左右的时间趋于稳定。火源功率较高的实验组所达到稳定时的稳定温度也相应较高，分析THCP1号传感器的温度波动情况可能是因为直接受到了火源本身的影响。而且从图4中还可以看出，在水平方向上，同一水平面，距离火源越远，货舱内设置的传感器探测到的温度越低，即距离火源距离不同，货舱内温度存在衰减效应。可以看出，在货舱内的同一水平面上，货舱温度与距离火源的距离成反比，距离火源越远，货舱温度越低。
（a） 正常大气压力条件下火源功率60kW/㎡飞机货舱温度变化曲线
（b） 正常大气压力条件下火源功率35kW/㎡飞机货舱温度变化曲线
图4正常大气压力条件下不同功率飞机货舱温度变化曲线
在竖直方向，货舱内的温度存在很明显的分层现象。从图5中可以看出，火灾发生300s之后，货舱内温度趋于稳定。对于温度趋于稳定的阶段，取任意时间点，通过对X=2.5m切片平面进行分析，发现在货舱温度稳定阶段，货舱内上部温度最高，从上到下温度成下降趋势，温度相同的区域具有一定的厚度，且具有一定的均匀性。在货舱顶部区域内，温度层温度可以达到70-80℃，在货舱中部，温度层温度为50-60℃，对比于货舱上部温度，下降了20℃左右。至于货舱下部，温度降低到了40℃左右，但是对比于环境初始温度（25℃）还是有了很大的温度提升。
图5温度分层情况
综上可以发现，当飞机货舱在正常大气压且压力不发生变化的条件下发生火灾时，火源热释放速率不发生变化，货舱内温度会经过一个快速上升阶段，然后趋于稳定，且在温度稳定阶段，货舱内温度在水平方向和竖直方向存在很明显的分布特征，在水平方向上，货舱内温度存在一定的衰减情况，货舱温度与距离火源中心距离成反比，即距离火源越远，货舱温度越低。在竖直方向上，货舱温度存在很明显的温度分层区域，当货舱内的温度进入稳定阶段后，货舱内同一高度层，温度相同或极为相近，随着高度降低，不同高度层的温度会出现明显的降低，温度与高度近似成一次线性关系，但即使在货舱底部，温度对比于初始环境温度也会有明显的上升。飞机货舱温度从初始环境温度经过一定时间的上升之后，会进入稳定阶段，虽然火源燃烧在持续进行，但只要火源功率不发生变化，货舱内的温度基本都会保持稳定。
3.2正常大气压条件下飞机货舱火灾烟气特征
从Smokeview可视化模拟结果中截取上述5张具有代表性的图片，黑色越深代表此处烟气含量越高，从下5张图片中，可以看出飞机货舱火灾模型烟气流动的全过程。如图6（a）所示，火灾模拟进行到30s时，火灾火源产生的烟气在热浮力作用下运动到了飞机货舱顶棚，形成顶棚射流。火灾烟气不断由火源产生，在模拟进行到60s时，烟气充满飞机货舱顶层，此时飞机货舱内烟气的分层现象出现。从图6（b）中可以看到，由于反浮力射流运动和烟气在积累和重力沉降作用下，烟气开始从顶层向下部没有烟气的冷空气层运动，从图中可以看处，在烟气向下层弥漫过程中，壁面附近的烟气总是比货舱中心部分的烟气含量更高（壁面附近颜色更深）说明了在没有外力影响的条件下，封闭舱室烟气在向下层运动过程中，反浮力射流运动对于烟气的影响比烟气的积累和重力作用更加明显。当模拟进行到100s时，烟气已经完全充满了整个舱室，随着接下来火灾的继续发展，烟气继续产生和积累，货舱中烟气含量持续升高，货舱内的能见度也不断下降，达到图6（e）模拟进行到700s时所示的情况。
（a）模拟30s时货舱烟气情况
（b）模拟60s时货舱烟气情况
（c）模拟100s时货舱烟气情况
（d）模拟150s时货舱烟气情况
（e）模拟700s时货舱烟气情况
图6正常大气压力条件下不同模拟时间烟气运动规律与分布情况
结合前人的研究并结合上述温度切片图片和SmokeView模拟结果可以发现，在远离火焰区域的位置，烟气对货舱温度的影响是十分明显的，烟气的分层现象和货舱内温度竖直方向的分布规律具有一定的一致性，在一定程度上温度分布规律反映了烟气分布的特征。
3.3变压力条件下飞机货舱火灾顶棚最高升温规律
本文对于顶棚最高升温规律的研究是取温度稳定阶段温度曲线相对平稳的60s内实验测得数据的平均值，以减少偶然因素和误差对于实验准确性的影响。
图7 不同实验组顶棚最高升温
从图7中可以看出对于不同热释放速率的火源，火源热释放速率越高，顶棚最高升温所对应的温度也就越高。但不管火源热释放速率的大小，当火源热释放速率相同时，在变压力条件下，最终达到的货舱压力越低，所对应的实验组的货舱顶棚最高升温就越高。当在相同时间内货舱最终达到的压力越低时，对应货舱内压力降低也就越快，因为货舱内空气密度也会随着货舱内压力的降低而下降，所以对应实验组的货舱内空气密度下降越快。对于相同的燃料，当空气密度下降，燃烧就需要更长的卷吸范围来获取更多的新鲜空气，以支撑燃料的正常燃烧，在此条件下，火焰燃烧的高度就会增加，火焰外焰距离货舱顶棚更加接近，从而使顶棚的最高升温相应提高。
3.4变压力条件下飞机货舱火灾温度衰减规律
在前文中，对于正常大气压力下飞机货舱火灾，我们已经发现，顶棚温度在水平方向上，随着距离火源中心距离的增大，顶棚温度会逐渐降低，这也就是封闭舱室顶棚温度衰减现象。在变压力条件下，随着货舱内压力的不断变化，对于货舱火灾顶棚温度衰减速率也会产生不同的影响。在模型的建立过程中，已经在飞机货舱顶棚每隔0.5m设立了一个温度传感器，以接收火灾模拟过程之中获得的温度参数，本文对于顶棚温度衰减速率的研究依旧是取顶棚温度稳定阶段，温度曲线相对平稳的60s的数据的平均值，并对数据进行处理建立相关折线图，如图8
图8 变压力条件下顶棚温度衰减规律
从图中可以看处，在火源中心点上方顶棚（距离火源半径r=0m）处，货舱内压力下降越快（模拟最终到达的货舱压力越低）的实验组顶棚最高升温越高，而在顶棚距离火源半径r=2.0m处，顶棚升温在不同条件下，差别不显著。因此，对于不同的实验组来说，顶棚温度衰减速率不同，即压力变化条件越大的实验组，顶棚温度衰减速率越高，温度衰减越快。通过软件对上述两个对照组中的曲线进行拟合，拟合结果如下表所示。
表3不同对照组温度衰减拟合曲线
从拟合结果中可以看出，拟合出的曲线公式中有a、b两个系数，结合温度曲线可以发现，系数a表征最高升温，压力变化越大，系数a即最高升温越高。系数b表征水平方向温度衰减速率，压力变化越大，系数b越大，所表征的温度衰减速率越快。
因此，可以得出：在相同实验时间，火源热释放速率相同的条件下，货舱模型最终变化到达的货舱压力越低，即货舱内压力降低的越快，货舱温度衰减越快。在不同的对照组中，压力下降速率越快，货舱内的空气密度下降越快，火源质量损失速率减少，热释放速率下降，从火源中产生的烟气温度就会下降，烟气在各种外界因素影响的弥漫运动过程中，烟气温度降低，但是烟气与货舱壁面和冷空气之间的热损失不变，从而导致在变压力条件下，压力变化速率越大，飞机货舱顶棚温度衰减速率越大。
4结论
本文主要针对正常压力条件下飞机货舱火灾特征和压力连续变化条件下，不同压力变化对飞机货舱火灾特征的影响两个方面进行了研究。主要选取了飞机货舱火灾模型的温度和烟气两个参数。
对正常大气压力条件下飞机货舱火灾模型进行研究，我们发现在飞机货舱等封闭舱室中，货舱内温度经过短时间快速上升后会进入稳定阶段，稳定阶段内，火源持续燃烧，但传感器所接收到的温度维持在相对稳定状态。同时在水平方向上距离火源中心越近，货舱温度越高，货舱温度与距离火源中心距离成反比，货舱温度存在衰减效应。竖直方向上，货舱内温度存在明显分层现象，同一高度层的货舱温度大致相当，随着高度层的下降，飞机货舱内温度也持续降低。对于货舱内烟气分布规律我们发现，烟气产生初期，货舱内烟气分层明显，随着烟气不断产生，由于反射流作用和重力沉降作用烟气很快充满飞机货舱。
当飞机货舱火灾处于持续的压力变化条件下时，我们发现，压力下降越快，对应货舱顶棚最高升温越高、顶棚温度衰减速率越快。
关键词：消防；货舱火灾；货舱压力；压力变化；火灾特征；温度；烟气
- 岳兴楠. 飞机火灾特点和相应的预防措施[J]. 中国消防, 2009(2):50-50.
- 于晓芳.民用飞机火灾预防与救援对策研究[J].消防界(电子版),2017(07):88.
- 李枣. 飞机火灾事故分类模型的构建及应用[D]. 中国民用航空飞行学院, 2017.
- 胡军锋. 泄漏量对座舱压力控制系统影响的研究[D].南京航空航天大学,2007.
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- 肖隽然. 飞机在高空飞行中的压力、压强研究[J]. 低碳世界, 2017(35).
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