民机饮用水系统供水管路流动性能计算研究
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摘 要
饮用水系统是民用客机中不可缺少的重要系统。在饮用水系统的设计过程中，供水管路的设计尤为重要。供水管路中饮用水在不同飞行工况、不同出水口使用条件下的流动性能有所差异。本文以某型民机饮用水系统供水管路作为研究对象，采用FLOWMASTER管网系统对供水管路不同飞行工况、不同水龙头同时使用的稳态流量进行计算，以验证供水管路的流动性能。
关键词
民用飞机;饮用水系统;流动性能;FLOWMASTER
中图分类号： V223.7 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.026
民机饮用水系统[1]是在机内储存并提供足够量的水，为机上厨房及盥洗室提供饮用水、冷热盥洗用水和马桶冲洗用水，以满足乘客机上生活的需要。
饮用水系统主要由饮用水箱、供水管路、通气溢流阀、水龙头、压力传感器等组成部件。饮用水系统将水储存在水箱中，通过增压方式将水通过管路输送到厨房与盥洗室供使用。某型民机具有前厨房水龙头、前盥洗室水龙头、后左盥洗室水龙头、后右盥洗室水龙头、后厨房水龙头，即该机型饮用水系统供水管路中具有5个出水口。饮用水系统的运营场景包括地面和巡航两个阶段，因此饮用水系统设计需考虑系统不同飞行工况、不同出水口同时使用情况对供水管路流动性能的影响。本文以某型民机饮用水系统供水管路的流动性能计算为例进行研究，为供水管路布置、饮用水系统设计提供参考。
1 计算方法
FLOWMASTER是全球领先的热流体系统仿真软件，先进的虚拟现实仿真技术能够辅助工程师完成各种复杂系统的仿真工作，从而应对现代化的系统设计流程。FLOWMASTER软件进行的一维流体系统仿真是基于：利用实验数据设置元件的工作参数，从而得到元件的进出口的流量、压力等物理量。FLOWMASTER具有丰富的元件数据库，每个元件都有特定的数学模型，并具有相应的输入输出和特征参数，并且具有自定义元件功能，支持用户根据系统特点对元件进行自定义创建。在民机饮用水系统供水管路流动性能计算中用到了FLOWMASTER软件[2]中的直管模型、弯管模型、压力源模型、节流阀模型等，其中直管和弯管模型用于模拟供水管路的流动，压力源模型用于模拟水龙头出水口座舱压力以及简化模拟供水管路水箱，节流阀模型用于模拟水龙头出水口。
2 计算模型与计算条件
饮用水系统供水管路是连接饮用水箱和系统出水口的一组管网，用于将水输送至各个出水口。不同座舱压力及饮用水系统增压和不同出水口同时使用情况会对饮用水系统的出水流量造成影响。
本文以某型民机饮用水系统供水管路作为研究对象。该型民机饮用水系统饮用水箱位于水废水舱。系统将储存于水箱中的饮用水通过增压方式向前输送至前厨房和前盥洗室，向后输送至后厨房、后左盥洗室和后右盥洗室，因而饮用水系统供水管路从水箱出口开始，向前经过中后机身三角区、穿过中央翼区连接至前机身的前厨房和前盥洗室，向后连接位于水废水舱的后厨房、后左盥洗室和后右盥洗室。因系统布置的需要，饮用水系统前机身和后机身供水管路采用软管管路，而中央翼区的管路采用硬管管路。根据饮用水系统布置，可知前厨房和前盥洗室距离后盥洗室约30m，后盥洗室和后厨房相距3m，两后盥洗室之间相距3m;中央翼区的供水管路硬管长度约2m，前机身供水管路软管和后机身供水管路软管长度分别为12m和13m。根据以上分析，建立如图1所示的饮用水系统供水管路流动性能计算模型。
考虑不同出水口同时使用情况对饮用水系统供水管路流动性能影响时，对于出口压力，本文选取飞机正常巡航座舱压力0.8bar;对于入口压力，本文选取水箱增压的最小设计压力2.2bar;按选择距离水箱最远端水龙头出水的原则分别计算1个出水口出水、2个出水口同时出水、3个出水口同时出水、4个出水口同时出水、5个出水口同时出水的工况。考虑不同系统压差情况对饮用水系统供水管路流动性能影响时，本文选取飞机最大使用高度、飞机正常巡航高度和飞机最低起降海平面高度时饮用水系统压差计算5个出水口同时使用的工况。饮用水系统供水管路最小出水口流量的设计指标为3.15e-5m3/s。
本文计算将水箱简化为压力源元件，水龙头简化为节流阀元件，管路选用FLOWMASTER中的Cylindrical Rigid Pipe，摩擦力模型选用Hazen-Williams Equation，Hazen-Williams摩擦系数选用FLOWMASTER中对于光滑水管的推荐值135。本文仿真模型采用不可压缩稳态模型进行计算。
3 计算结果及分析
饮用水系统供水管路在飞机正常巡航时不同出水口流量和不同飞行工况时5个出水口中最小流量计算结果分别见表1与表2。
由表1供水管路流动性能计算结果可知，在飞机正常巡航时，随着出水口同时使用的数量增加，供水管路总流量不断增加，同一出水口的流量随之减小，最小流量为0.000152m3/s，满足饮用水系统供水管路最小出水口流量的设计指标3.15e-5m3/s。分析表1数据还可发现，当出水口同时使用的个数超过3个时，后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后厨房出水口的流量明显大于前厨房出水口和前盥洗室出水口流量，因此在饮用水系统设计过程中，应考虑对后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后厨房出水口增加局部阻力，使得各出水口流量分配趋于平均。
分析表2数据可知，饮用水系统供水管路压差减小时，最小出水口流量值也随之减小;最小流量为9.8e-5m3/s，滿足饮用水系统供水管路最小出水口流量的设计指标3.15e-5m3/s。
综上所述，在飞机最大使用高度、飞机正常巡航高度、飞机最低起降海平面高度条件下，前厨房出水口、前盥洗室出水口、后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后厨房出水口同时使用的情况下，最小出水口流量均大于3.15e-5m3/s。因此，供水管路流动性能可满足饮用水系统供水管路最小出水口流量设计指标。
4 结语
本文以某型民机饮用水系统供水管路作为研究对象，提出了采用FLOWMASTER管网系统对供水管路的流动性能进行计算的方法。根据该方法的计算结果可知在飞机不同飞行工况、不同数量出水口同时使用情况对饮用水系统供水管路流动性能的影响，得到最小出水口流量均可满足系统设计指标。为了优化分配供水管路中出水口流量，建议对后左盥洗室出水口、后右盥洗室出水口、后厨房出水口适当增加局部阻力，保证饮用水系统各出水口流量趋于平均。
参考文献
[1]雷美玲.新型民用客机水系统选型研究[J].航空工程进展，2012，3（2）：229-234.
[2]朱翀.民用飞机水系统管路流动的数值模拟[J].航空工程进展，2014，5（4）：515-520.
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