客機飛行動態(tài)條件下保溫層內(nèi)水分積聚過程研究.pdf

1、多孔保溫材料因其良好的保溫隔熱性能被廣泛應(yīng)用，而環(huán)境參數(shù)的改變將使水分因相變積聚于孔隙。由此勢必誘發(fā)多孔材料的腐蝕、保溫隔音性能減弱及增重等負面效應(yīng)。水分在孔隙中的積聚過程大多十分緩慢，危害不易察覺。而在客機運行過程中，其所覆蓋的保溫材料始終處于急劇溫變的低壓環(huán)境，該條件下水分在保溫材料中的傳遞及相變規(guī)律與常規(guī)條件存在較大差異。因此，水分在客機保溫材料中的流動特性、溫度分布及相變規(guī)律、孔隙中的水分積聚的量化研究將具有十分重要的理論意義與

2、實用價值。
　　基于上述研究背景，本文以客機多孔保溫材料為研究對象，采用體積平均假設(shè)及熱力學(xué)平衡理論、引入多孔介質(zhì)熱濕耦合模型，將Darcy擴展模型與Boussinesq模型相結(jié)合構(gòu)建動量守恒方程，在自然對流條件下對急劇溫變環(huán)境中多孔保溫材料內(nèi)水蒸氣的遷移過程進行求解，描述其非線性的流動特征，實現(xiàn)水蒸氣、液態(tài)水及固態(tài)冰三種相態(tài)間相變過程。而后，以低溫含冰多孔材料（發(fā)泡聚氨酯）作為實驗材料，置于密閉環(huán)境進行常壓自然干燥實驗，驗證了模

3、型在大溫差工況下對水分脫濕過程預(yù)測的準確性;通過干燥發(fā)泡聚氨酯在飽和空氣中變溫加濕實驗，驗證模型在急劇溫變加濕過程中的適用性。借助與客機真實結(jié)構(gòu)類似的等比例縮小實驗臺，完成客機運行工況的實驗，并采集環(huán)境溫濕度變化逐時值，為數(shù)學(xué)模型提供邊界條件，通過水分的最終殘存量與數(shù)學(xué)模型進行對比，對模型在低壓的極限工況下的適用性、準確進行評估。針對艙內(nèi)壓力低于常壓(1atm)客機運行條件，分別定性和定量地分析低壓條件對水分傳遞的影響。運用所建數(shù)學(xué)模型

4、分別預(yù)測出客機不同飛行高度、客艙相對濕度、機場溫度和相對濕度以及巡航時間11種運行工況下，保溫材料中不同水組分的積聚規(guī)律，確定水分積聚的關(guān)鍵性影響因素。在現(xiàn)有客機外壁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過在保溫材料與襯層間加入風(fēng)道的改進設(shè)想，將水分遷移的自然對流形式升級為強制對流，較好地實現(xiàn)了保溫材料的干燥效果。
　　研究結(jié)果表明，在常壓工況下，大溫差自然干燥過程中，數(shù)學(xué)模型所計算的脫濕率與實驗值具有較好的一致性，溫度及水分在多孔材料中所呈現(xiàn)的非線性

5、分布主要體現(xiàn)在保溫材料與環(huán)境間存在較大溫差的實驗初始階段。在變溫加濕過程中，對于邊界溫濕度條件急劇變化的工況，水分隨時間增長率的預(yù)測值與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。通過低壓條件(0.8atm)對數(shù)學(xué)模型中主要參數(shù)影響的定性及定量分析，并結(jié)合模擬結(jié)果可知，低壓工況(0.8～1atm)弱化了水蒸氣的流動，增強了擴散效應(yīng)，從而降低了水分的積聚量（相比常壓工況減少15％），水分各相態(tài)的變化趨勢仍與常壓工況下相同。對客機不同運行工況的模擬結(jié)果表明，巡航高度

6、（巡航時外壁面溫度）以及巡航時艙內(nèi)相對濕度是影響水分積聚的兩個關(guān)鍵性參數(shù)，巡航高度愈高、巡航時艙內(nèi)相對濕度(10～30％)愈高，最終存于多孔保溫材料孔隙中的水分愈多。依據(jù)不同工況下水分隨時間的變化曲線可知，水分積聚過程主要發(fā)生在客機巡航階段。而地面相對濕度的影響幾乎可以忽略。基于客機外壁結(jié)構(gòu)改進方案的數(shù)值模擬可知，加入風(fēng)道后產(chǎn)生的強制對流使其脫濕效果達70-90％以上，再綜合考慮客機空調(diào)系統(tǒng)供回風(fēng)方式和近殼體側(cè)保溫材料布置方式，該改進設(shè)