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文 |万物喵知道

编辑 |万物喵知道

前言

飞机燃油系统是影响飞机安全性的关键系统之一，在飞机高效安全运行中发挥着重要作用。

然而，飞机燃油系统一直面临着与燃油污染相关的问题，这些问题对飞行安全和运营都构成了挑战。

曾有飞机进场着陆时，由于飞机发动机燃油滑油热交换器内的水污染物结冰，导致燃油流动受阻无法改变发动机推力，最后飞机在希斯罗机场紧急着陆。

水是燃油中最常见的污染物，它会影响燃油系统部件的可靠性，水在燃油中主要以溶解水和游离水的形式存在，油箱中的游离水是由燃油的析出水和湿空气的冷凝水组成。

由于游离水的存在会导致微生物污染腐蚀燃油箱，并且低温情况下水污染物结冰会引起燃油滤清器的阻塞，因此只有游离水才被认为是污染物。

近年来学者也对水污染物进行了研究，研究发现飞机铝合金结构的腐蚀是由燃油箱中的冷凝水引起的，他们通过建立数值模型对存储和飞行情况下水污染物的量进行了研究。

研究显示燃油中溶解水的析出主要在爬升和巡航阶段产生，且冷凝通常发生在油箱壁面或者通风管壁等冷表面，冷凝水的污染程度与外界传质相关。

由于燃油本身的吸湿特性，燃油中的溶解水无法完全除去，这就导致燃油中的水污染物是无法避免，因此必须采取有效措施对水污染物进行去除。

而建立有效除水措施的关键是了解水污染物的生成特性，只有在了解水污染物生成特性的基础上才能有针对性的提出解决方案，达到控制水污染物的目的。

而水污染物的生成特性与巡航高度息息相关，随着巡航高度的改变，环境的温度、压力、湿度等因素都会发生变化，这将给水污染物的生成带来系统性的影响。

可以认为明确了巡航高度与水污染物生成特性的关系，就明确了水污染物的解决方向，而遗憾的是，并没有相关研究从巡航高度的角度对水污染物的生成特性展开研究。

有鉴于此，我们在参考前述研究的基础上，针对飞机燃油箱内的水污染物建立传热传质数学模型，以实现对水污染物生成量的精确计算，并对不同巡航高度带来的水污染物生成特性的系统性影响进行分析。

水污染物含量计算模型

燃油箱内水污染物分布如图1所示，溶解水是由于燃油的吸湿性而溶解在燃油中的水，并不会对燃油造成水污染；析出水是燃油温度变化导致溶解水从燃油中析出而产生的水。

而冷凝水是外界湿空气进入油箱后在未被燃油润湿的油箱表面冷凝产生的水；析出水和冷凝水沉积到油箱底部共同组成了游离水，游离水就是燃油中的主要水污染物。

图1

模型包含以下几个假设：

1）燃油箱气相空间内的空气为理想气体，且与外界气体交换过程为稳态过程。

2）燃油状态变化的每个物理过程都是平衡态的，且燃油中的溶解水按照饱和程度进行计算；

3）温度引起的气体、液体体积变化忽略不计；

4）每一个计算步长内认为燃油温度恒定且燃油与油箱壁面换热瞬间完成；

5）忽略燃油界面处的传质交换，且仅对飞行过程的油箱展开研究；

环境温度与高度的关系由下式给出：

式中Ta是对应海拔高度下的环境大气温度，K；Ta,0是海平面温度，K；H是海拔高度，m，空气密度随海拔高度变化关系由下式给出：

式中ρa是对应海拔高度下的空气密度，kg/m3；ρa,0是海平面时的空气密度，kg/m3，对应高度下的干空气分压和水蒸气分压为：

式中pa是对应高度下的干空气分压，Pa；R是气体状态常数，J/(mol·K)；ρw是对应到高度下的水蒸气密度，kg/m3；h0是转换高度，km；pw,ha是对应高度下的水蒸气分压，Pa；MH2 O是水的摩尔质量，kg/mol。

我们以空客公司A380飞机油箱水污染模型为例，验证模型正确性，在初始10 m3燃油的油箱中有1 L的析出水，在接近2000 s的模拟过程中将燃油温度从290 K降低到219 K最后回升到290 K。

将上述参数带入本文水污染物生成模型中，结果如图3所示，根据图3数据计算表明，我们析出水计算与模拟数据相关系数达0.98669，溶解水计算与模拟相关系数为0.99216，相关计算验证了实验水污染物生成模型的准确性。

实验选用一条典型飞行包线，飞行时长174 min，爬升和下降率均为1250 ft/min，研究巡航高度对水污染物生成特性的影响。

设置初始搭载燃油16.2 m3，燃油箱总容量为27 m3，地面大气温度为300 K，初始燃油温度和油箱壁面温度为297 K，飞行过程中平均燃油消耗为48 kg/min将上述参数带入水污染物生成模型中进行计算。

图4给出了不同巡航高度下析出水量随时间的变化曲线，从图中可以看出：在爬升阶段析出水量迅速增加，进入巡航阶段后析出水量增加速度放缓，在下降阶段析出水量快速减少，在实验条件中15 km的巡航高度产生的析出水最多，达到了1.66 L。

通过公式可以看出，燃油中的饱和溶解水量与燃油温度、燃油体积和空气水蒸气密度有关，因此析出水量变化的原因，可以通过燃油温度的变化曲线进行研究。

图5给出了不同巡航高度下燃油温度随时间变化的曲线，从图中可以看出：在爬升阶段燃油温度快速下降，这是因为在爬升过程中随着海拔高度的升高，外界大气温度的降低，随着油箱与空气的换热，燃油温度快速降低，所以燃油中的溶解水析出形成析出水；

在巡航阶段燃油温度继续下降但下降速度有所减慢，这是因为进入巡航阶段后，外界温度不再继续降低，但由于燃油温度仍然高于外界温度，对流换热依旧存在但效果降低，所以巡航阶段析出水量继续缓慢增加；

在下降阶段燃油温度开始逐渐上升，这是因为随着海拔高度降低，外界大气温度升高，由于换热的存在，导致燃油温度逐渐上升，析出水转变为溶解水，所以析出水量降低，但由于燃油消耗导致换热面积的减少和换热时间较短，飞行结束时燃油仍处于低温状态。

图5 巡航高度对燃油的影响

图6给出了不同巡航高度下冷凝水量随时间的变化曲线，从图中可以看出：冷凝水在巡航阶段开始产生，且巡航高度越高产生的冷凝水量越少，计算条件下巡航高度7、9、11、13和15 km分别产生了0.114、0.094、0.074、0.057 L和0.042 L冷凝水。

通过公式可知只有当油箱气相空间中的水蒸气分压大于饱和蒸汽压时冷凝现象才会发生，因此冷凝水量变化的原因，可以通过气相空间水蒸气分压的变化曲线进行研究。

图7给出了不同巡航高度下气相空间水蒸气分压随时间变化的曲线，从图中可以看出：在爬升阶段气相空间水蒸气分压不断减小，这是因为在爬升过程中外界气压小于油箱内气压，所以气相空间的空气外流导致水蒸气分压降低。

在巡航阶段初期，气相空间水蒸气分压保持不变，随后逐渐减小，这是因为进入巡航阶段后，油箱与大气之间的气压达到了平衡，没有明显的流动，所以巡航阶段初期油箱内的水蒸气分压保持不变，随后因为气相空间温度的降低。

当达到了露点温度后气相空间开始出现冷凝，水蒸气分压转化成冷凝水，由于这个过程不断的进行，所以导致油箱气相空间水蒸气分压逐渐降低。

在下降阶段气相空间水蒸气分压开始逐渐增大，这是因为下降过程中外界空气涌入油箱，所以气相空间水蒸气分压开始逐渐增大。

巡航高度越高，在爬升阶段往外流出的水蒸气就越多，最后飞行阶段产生的冷凝水也就越少，这就是图7中巡航高度增加后冷凝水减少的主要原因。

巡航高度对游离水量的影响

将飞行过程中产生的析出水量和冷凝水量相加可以得到总的游离水量，图8给出了不同巡航高度下游离水量随时间变化的曲线。从图中可以看出，在爬升阶段游离水量迅速增加，进入巡航阶段后增加速度减慢，下降阶段游离水量出现减少。

图8 不同巡航高度下游离水量随时间变化曲线

图9给出了巡航高度对游离水量的影响曲线，从图中可以看冷凝水量随着巡航高度的增加而减少，巡航高度在未达到18 km之前，冷凝水量减小速度较快，随后减小速度逐渐放缓。

析出水量随着巡航高度的增加而增加，但是增加速度逐渐降低；而游离水量是析出水量与冷凝水量的总和，虽然随着巡航高度的增加冷凝水量是逐渐降低的，但由于析出水量增加的更多，所以游离水量随着巡航高度的增加而逐渐增加，但增加速度逐渐降低。

结语

本文通过推导飞行过程中水污染物的内在数学关系，建立了水污染物生成特性模型，实现溶解水、析出水、冷凝水、游离水等水污染物定量计算，为燃油箱水污染物研究提供了理论支撑。研究结果表明：

1、飞行过程中产生的析出水主要在爬升阶段，且巡航高度越高产生的析出水越多，本文计算条件下11 km巡航高度产生的析出水较7 km多出5.5%。

2、飞行过程中产的冷凝水主要在巡航阶段，且巡航高度越高产生的冷凝水越少，本文计算条件下11 km巡航高度产生的冷凝水较7 km减少了34.4%。3)飞行过程中产生的游离水总量随着巡航高度的增加而增加，但增加幅度逐渐减缓，本文计算条件下9 km巡航高度产生的游离水较7 km增加了1.88%，11 km巡航高度产生的游离水较9 km增加了0.92%。