客機(jī)飛行動(dòng)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(shì)必誘發(fā)多孔材料的腐蝕、保溫隔音性能減弱及增重等負(fù)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(jī)運(yùn)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(jī)保溫材料中的流動(dòng)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(shí)用價(jià)值。
　　基于上述研究背景，本文以客機(jī)多孔保溫材料為研究對(duì)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(kuò)展模型與Boussinesq模型相結(jié)合構(gòu)建動(dòng)量守恒方程，在自然對(duì)流條件下對(duì)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(jìn)行求解，描述其非線性的流動(dòng)特征，實(shí)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(shí)驗(yàn)材料，置于密閉環(huán)境進(jìn)行常壓自然干燥實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模

3、型在大溫差工況下對(duì)水分脫濕過程預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性;通過干燥發(fā)泡聚氨酯在飽和空氣中變溫加濕實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模型在急劇溫變加濕過程中的適用性。借助與客機(jī)真實(shí)結(jié)構(gòu)類似的等比例縮小實(shí)驗(yàn)臺(tái)，完成客機(jī)運(yùn)行工況的實(shí)驗(yàn)，并采集環(huán)境溫濕度變化逐時(shí)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(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型在低壓的極限工況下的適用性、準(zhǔn)確進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)艙內(nèi)壓力低于常壓(1atm)客機(jī)運(yùn)行條件，分別定性和定量地分析低壓條件對(duì)水分傳遞的影響。運(yùn)用所建數(shù)學(xué)模型

4、分別預(yù)測(cè)出客機(jī)不同飛行高度、客艙相對(duì)濕度、機(jī)場(chǎng)溫度和相對(duì)濕度以及巡航時(shí)間11種運(yùn)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(jī)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(jìn)設(shè)想，將水分遷移的自然對(duì)流形式升級(jí)為強(qiáng)制對(duì)流，較好地實(shí)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(jì)算的脫濕率與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)初始階段。在變溫加濕過程中，對(duì)于邊界溫濕度條件急劇變化的工況，水分隨時(shí)間增長(zhǎng)率的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。通過低壓條件(0.8atm)對(duì)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(dòng)，增強(qiáng)了擴(kuò)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(shì)仍與常壓工況下相同。對(duì)客機(jī)不同運(yùn)行工況的模擬結(jié)果表明，巡航高度

6、（巡航時(shí)外壁面溫度）以及巡航時(shí)艙內(nèi)相對(duì)濕度是影響水分積聚的兩個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，巡航高度愈高、巡航時(shí)艙內(nèi)相對(duì)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(shí)間的變化曲線可知，水分積聚過程主要發(fā)生在客機(jī)巡航階段。而地面相對(duì)濕度的影響幾乎可以忽略?；诳蜋C(jī)外壁結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的數(shù)值模擬可知，加入風(fēng)道后產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流使其脫濕效果達(dá)70-90％以上，再綜合考慮客機(jī)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(jìn)設(shè)