机载设备的熔穿风险仿真评估方法

技术领域

本发明涉及热力学仿真技术领域，具体涉及一种机载设备的熔穿风险仿真评估方法。

背景技术

机载设备指飞机上能够给出各个类型参数的仪器、仪表或设备，即为航空机载设备。随着现代飞机性能的不断提高,各类技术手段的不断发展,航空机载仪表与设备的功能也越来越复杂和多样,并且实现了系统集成与综合。特别是信息技术、网络技术和计算机技术的飞速发展,带动和促进了飞机机载设备技术的发展，使机载设备的综合化、智能化和网络化的程度不断提高。为实现较好的飞行安全性，针对机载设备，相关标准已规定了机载设备一系列环境试验条件，其中防火试验用于评估设备在高温火焰环境下保持安全运行的能力，借助计算机辅助技术能够对产品表面温度进行预测进而评估其是否存在因熔穿导致试验失败的风险。

现有技术中，已存在有通过仿真来构建模拟火焰对设备进行测试的技术方案，比如，中国专利CN202011319341.7公开了一种燃滑油管路的防火仿真分析方法，在仿真环境下获取火焰燃烧器以及基于该火焰燃烧器的标准火焰，将燃滑油管路置于该火焰燃烧器上方设定位置进行火焰热冲击仿真，提取燃滑油管路的温度数据；将管路受火焰冲击区域划分为控制体，通过控制体的能量守恒方程的求解，获取燃滑油管路的工质出口温度，以沸点作为判定准则，初步判定燃滑油管路内工质是否有相变发生；先计算不加火焰时的燃滑油管路内的稳态流场，获取稳态流场计算结果；在稳态流场计算结果的基础上，进行所述热态传热求解。

但是，在实际实施过程中，发明人发现，火焰本身在仿真过程中，涉及到流场、辐射、热传导等多方面因素影响，难以有效确保仿真火焰具有与实际火焰相同的效果；同时，上述因素也导致了在仿真火焰中，难以对仿真火焰的相关效果，比如火焰温度、火焰强度等进行准确调节，从而符合相关的测试需求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种机载设备的熔穿风险仿真评估方法。

具体技术方案如下：

一种机载设备的熔穿风险仿真评估方法，包括：

步骤S1：针对待评估设备，在仿真环境中构建热流模型，随后于所述热流模型中添加铜管模型；

步骤S2：于所述铜管模型中构建仿真水流，获取所述仿真水流于所述铜管模型的出口温度，随后依照所述出口温度调整所述热流模型的模型参数，直至所述模型参数满足试验条件后作为目标试验模型输出；

步骤S3：去除所述铜管模型，随后采用所述目标试验模型于仿真环境中对所述待评估设备进行评估以得到测试结果。

另一方面，所述步骤S1包括：

步骤S11：依照所述待评估设备和防火试验标准确定用于对所述待评估设备的测试火焰需求；

步骤S12：依照所述测试火焰需求于所述仿真环境中构建所述热流模型；

步骤S13：于所述热流模型中的预定位置添加所述铜管模型。

另一方面，所述热流模型包括依次连接的热源仿真区域和流动区域，所述热源仿真区域的输入端为热流速度入口，所述热流仿真区域的输出端连接所述流动区域的输入端，所述流动区域的输出端为大气压力出口，所述流动区域的外壁面绝热；

所述铜管模型垂直设置于所述热流模型中并贯穿所述热流模型，所述铜管模型的所述预定位置相对于所述流动区域的输入端具有第一预设距离；

所述铜管模型呈空心圆筒状，空心部用于使得所述仿真水流通过；

所述铜管模型沿长轴方向依次分布有第一绝热区域、暴露区域和第二绝热区域，所述暴露区域位于所述流动区域内侧；

所述仿真水流于流经所述暴露区域时，与所述热流模型发生热交换。

另一方面，所述第一预设距离为100mm，所述铜管模型的外径为12mm，所述暴露区域长度为380mm，所述仿真水流于所述铜管模型中的流量为1gal/min。

另一方面，所述步骤S2包括：

步骤S21：于所述铜管模型中依照预定流量构建仿真水流，以使得所述仿真水流于所述铜管模型中穿过所述热流模型；

步骤S22：对所述仿真水流采集出口温度，随后判断所述出口温度是否达到目标温度；

若是，保留当前的所述模型参数，随后转向所述步骤S3；

若否，转向步骤S23；

步骤S23：对所述热流模型中的热流流量和热流温度中的至少一项进行调整，随后返回所述步骤S22。

另一方面，于执行所述步骤S2之前，预先将所述热流温度配置为1100℃；

所述步骤S23包括：

步骤S23：判断所述出口温度是否高于所述目标温度；

若是，降低所述热流流量，随后返回所述步骤S22；

若否，升高所述热流流量，随后返回所述步骤S22。

另一方面，所述热流流量用于将所述热流模型的等效火焰强度控制在4500Btu/h。

另一方面，所述步骤S3包括：

步骤S31：去除所述铜管模型，于所述目标试验模型中添加所述待评估设备的目标仿真模型；

步骤S32：采用所述目标试验模型对所述目标仿真模型进行仿真处理，于仿真过程中获取所述目标仿真模型上对应于各部件的测点预测温度；

步骤S33：依照所述测点预测温度绘制测点温升曲线；

步骤S34：依照所述测点温升曲线生成对应于各部件的熔穿风险的所述测试结果。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

针对现有技术中仿真火焰模拟过程相对复杂、难以准确对参数进行控制以符合相关测试需求的问题，本方案中，引入了范围较大的热流模型来取代传统的仿真火焰，由于热流模型本身在仿真环境中体现为有边界的有向气流，能够较为简便地对其进行流场计算、模拟以及温度控制。在此基础之上，还引入了铜管模型预先进行测试，基于铜管模型中的仿真水流的出口温度进一步调整流场模型的参数，使其符合对应的测试需求，实现了对仿真火焰的有效替代，同时简化了仿真过程。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例的整体示意图；

图2为本发明实施例中热流模型示意图；

图3为本发明实施例中步骤S1子步骤示意图；

图4为本发明实施例中步骤S2子步骤示意图；

图5为本发明实施例中步骤S23示意图；

图6为本发明实施例中步骤S3子步骤示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明包括：

一种机载设备的熔穿风险仿真评估方法，如图1所示，包括：

步骤S1：针对待评估设备，在仿真环境中构建热流模型，随后于热流模型中添加铜管模型；

步骤S2：于铜管模型中构建仿真水流，获取仿真水流的于铜管模型的出口温度，随后依照出口温度调整热流模型的模型参数，直至模型参数满足试验条件后作为目标试验模型输出；

步骤S3：去除铜管模型，随后采用目标试验模型于仿真环境中对待评估设备进行评估以得到测试结果。

具体地，针对现有技术中在仿真环境中构建仿真火焰计算相对繁琐，且难以准确控制仿真火焰的各项参数符合测试需求的问题，本实施例中，对仿真火焰进行了简化替代，将其替换为热流模型。该热流模型主要包括一个有边界的流动区域，仿真的高温气体于该有边界的流动区域中自一端输入另一端输出，进而对待评估设备的仿真模型进行热交换。由于该热流模型仅涉及到了对高温气流的仿真，且流动区域完整包裹了待评估设备的仿真模型，因此在计算过程中主要考虑仿真气流与待评估模型之间的热耦合因素，其计算量相对于仿真火焰明显更小。

进一步地，针对现有技术中的仿真火焰难以调节参数以符合测试需求的问题，本实施例中，在通过热流模型简化了仿真过程的基础之上，进一步设置了铜管模型与热流模型进行热耦合。通过在铜管模型中构建仿真水流流经热流模型，并获取仿真水流的出口温度，实现了对流动区域内的火焰强度的大致判断。在此基础之上，可依照出口温度对热流模型的模型参数进行调整，从而使得热流模型的模型参数符合测试需求，随后移除铜管模型再进行测试。一般而言，常规的防火试验过程中，主要关注火焰温度和火焰强度两项指标，在一个实施例中，可将热流模型的热流温度直接设置为目标的火焰温度，仅通过改变热流流速来调节火焰强度，使得出口温度发生改变。上述调节过程仅需要调节一项参数，调试较为简便。

在实施过程中，上述仿真评估方法主要作为软件实施例设置在计算机设备中，其主要基于现有的流体仿真技术，比如CFD仿真等，对待评估设备的防火性能预先在虚拟仿真环境中进行评估。待评估设备指预先设计好的相关设备，主要是电子设备、仪表、液压装置等各类机载设备，其在仿真之前预先设计了对应的目标仿真模型，包括设备内各模型的结构建模、材质等，能够在仿真环境中进行相关的热耦合仿真。

为实现较好的仿真效果，如图2所示，在一个实施例中，热流模型包括依次连接的热源仿真区域A1和流动区域A2，热源仿真区域A1的输入端为热流速度入口，热流仿真区域A1的输出端连接流动区域A2的输入端，流动区域A2的输出端为大气压力出口。其中，热源仿真区域A1为用于输入热流的起始区域，其具有一个长圆筒状的区域以及扩张区域，长圆筒状的区域的入口为热流速度入口；流动区域A2为接续在扩张区域后方的，用于使得仿真热流、与铜管仿真模型进行热交换模拟的区域。流动区域的外壁面绝热，仿真气流于流动区域的输入端以一定的流速输入，自输出端的大气压力出口输出，其在整体的流动区域内具有一定的流速，且不会与流动区域的边界发生热交换，仅会与设置在流动区域内的其他仿真模型，比如铜管模型和待评估设备的目标仿真模型进行热耦合。

一般来说，在仿真过程中，在添加目标仿真模型后，仿真气流的流场会发生一定改变，在特定的场景中，比如流动区域的边界设置的过于狭窄时可能导致在狭窄部的流场分布不够理想的问题，此时应当对流动区域的边界进行调整，但不应将边界设置的过大导致额外的计算量。

同时，在开始实际仿真之前，还需要在热流模型中设计铜管模型，铜管模型垂直设置于热流模型中间并贯穿热流模型，铜管模型呈空心圆筒状，空心部用于使得仿真水流通过；

铜管模型沿长轴方向依次分布有第一绝热区域、暴露区域和第二绝热区域，暴露区域位于流动区域内侧，仿真水流于流经暴露区域时，与热流模型发生热交换；

为准确控制试验结果，还将铜管模型设置在距离流动区域的输入端具有第一预设距离的预设位置上。

具体来说，为实现较好的仿真效果，本实施例中，还在开始测试之前预先设置了铜管模型并添加仿真水流来对热流模型进行评估。铜管模型呈空心圆筒状，空心部用于使得仿真水流通过。一般来说，仿真水流自铜管模型的第一端输入，随后经过第一绝热区域，在第一绝热区域中穿过流动区域的边界，随后进入暴露区域，在暴露区域中受到热流模型的高温仿真气流的热耦合发生温升，经过特定长度的暴露区域后进入第二绝热区域，于第二绝热区域中穿过流动区域的边界后流出，此时对其出口温度进行获取，依照出口温度可以判断流动区域内的高温气流是否能够实现等效于真实火焰的加热效果，从而实现对热流模型的调节。

在一个实施例中，铜管模型的外径为12mm，暴露区域长度为380mm，仿真水流于铜管模型中的流量为1gal/min。

具体地，为符合相关的测试要求，本实施例中，选择将铜管模型控制为外径12mm的仿真铜管，并控制暴露区域长度为380mm，仿真水流于铜管模型中的流量为1gal/min、第一预设距离在100mm。此时仿真水流的温升、水的比热容与流量的乘积约等于通过暴露区域输入管内的热流量，符合相关的测试需求。

在完成上述设计后，可采用以下方法进行仿真。

在一个实施例中，如图3所示，步骤S1包括：

步骤S11：依照待评估设备和防火试验标准确定用于对待评估设备的测试火焰需求；

步骤S12：依照测试火焰需求于仿真环境中构建热流模型；

步骤S13：于热流模型中的预定位置添加铜管模型。

具体地，为实现较好的测试效果，本实施例中，在预先设计热流模型之前，依照待评估设备的设备尺寸，和该待评估设备所需要采用的防火试验标准，确定了用于对待评估设备进行测试的测试火焰需求，主要包括火焰温度、火焰强度、燃烧范围、流速等因素，在上述的测试火焰需求的基础之上，可以针对性配置对应的热流模型，包括调整流动区域的尺寸、气流温度、流速等，随后再在热流模型中间添加铜管模型，完成初步建模。

在一个实施例中，如图4所示，步骤S2包括：

步骤S21：于铜管模型中依照预定流量构建仿真水流，以使得仿真水流于铜管模型中穿过热流模型；

步骤S22：对仿真水流采集出口温度，随后判断出口温度是否达到目标温度；

若是，保留当前的模型参数，随后转向步骤S3；

若否，转向步骤S23；

步骤S23：对热流模型中的热流流量和热流温度中的至少一项进行调整，随后返回步骤S22。

具体地，为实现对热流模型的模型参数的准确调节，以使其符合等效于真实火焰的测试需求，本实施例中，在铜管模型中依照预定流速构建仿真水流，以使得仿真水流于铜管模型中穿过热流模型，该仿真水流具有与室温相近的初始温度，比如10～21摄氏度，随后在热流模型中通过暴露区域被加热，对仿真水流采集出口温度，随后判断出口温度是否达到目标温度，若未达到则依照相关测试需求对热流流量和热流温度中的至少一项进行调整，实现对模型的修正，直至符合测试需求后固定热流模型的参数作为目标试验模型并输出。

在一个实施例中，于执行步骤S2之前，预先将热流温度配置为1100℃；

如图5所示，步骤S23包括：

步骤S23：判断出口温度是否高于目标温度；

若是，降低热流流量，随后返回步骤S22；

若否，升高热流流量，随后返回步骤S22。

在一个实施例中，热流流量用于将热流模型的等效火焰强度控制在4500Btu/h。

具体地，在一个实施例中，相关的防火测试标准为火焰温度1100℃，火焰强度4500Btu/h。针对该防火测试标准，为实现较为简便的调整过程，可预先将热流模型中的热流温度配置为1100℃，随后在执行步骤S23的过程中，依照特定的步长结合目标温度来对热流流量进行调整，使其具有相同的等效火焰强度。该目标温度的确定，预先依照上述的铜管模型参数和所需的热流量确定了仿真水流的温升，比如5摄氏度，随后再结合仿真水流的初始温度计算得到。

在一个实施例中，如图6所示，步骤S3包括：

步骤S31：去除铜管模型，于目标试验模型中添加待评估设备的目标仿真模型；

步骤S32：采用目标试验模型对目标仿真模型进行仿真处理，于仿真过程中获取目标仿真模型上对应于各部件的测点预测温度；

步骤S33：依照测点预测温度绘制测点温升曲线；

步骤S34：依照测点温升曲线生成对应于各部件的熔穿风险的测试结果。

具体地，为实现较好的评估效果，本实施例中，在得到了目标试验模型后，针对待评估设备，预先结合测试需求在其各部件上设置了测点，随后，在目标试验模型中添加目标仿真模型，并统计各测点上在仿真环境中的测点预测温度，随后针对每个测点分别绘制测点预测温度随时间变化的测点温升曲线。基于该测点温升曲线，结合各部件本身的材质熔点，能够较为简便地评估出各部件的防火时间以及熔化情况，实现较好的评估效果。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。