题目：飞机燃油惰性化系统的实验与仿真研究

飞机燃油惰性化系统利用中空纤维膜空气分离组件将发动机引气分离成富氮气体和富氧废气，并将富氮气体通入飞机油箱内进行气体空间冲洗或燃油洗涤以保证油箱气体空间氧浓度处于安全范围。由于该系统可以长时间连续制取富氮气体，不需要地面后勤补给，使续航时间不受制约，并且不会减少油箱有效载油量，因此逐渐被装备于各国的军用及商用（民用）飞机上。

飞机燃油惰性化系统的工作效果受到两方面影响，分别为中空纤维膜的空气分离性能及飞机油箱的惰性化效果。其中，中空纤维膜空气分离组件的空气分离性能直接决定了富氮气体产生的流量、氧浓度以及发动机引气量。本文对中空纤维膜的空气分离过程进行了实验研究。结果表明，进气温度、压力以及富氮气体流量等均会影响富氮气体氧浓度、实际空气分离系数及氮回收率。因此，需要合理匹配中空纤维膜空气分离组件的进气参数，以满足油箱惰性化的需求。

为了深入了解中空纤维膜的工作机理，本文根据质量守恒方程、渗透方程等，并考虑浓差极化现象，利用微元法建立了逆流流型中空纤维膜的微分数学模型，对中空纤维膜的空气分离过程进行了理论分析。计算结果与实验数据吻合较好。计算结果还表明：随着飞机飞行高度的增加，富氧废气的排气压力减小，中空纤维膜空气分离组件的空气分离效果变好；中空纤维膜的丝长对空气分离过程也有影响。因此，在设计中空纤维膜空气分离组件的过程中，需要综合衡量进气参数和结构参数对空气分离过程的影响。

本文还开展了利用富氮气体对飞机油箱进行惰性化处理的实验研究。惰性化效果的一个最重要的评价标准就是油箱气体空间氧浓度经过惰性化处理降低至规定值所需要的时间；另外，由于飞机燃油中溶解的氧气可能逸出，造成油箱气体空间氧浓度升高，因此，在实验过程中，飞机油箱燃油溶解氧浓度的变化也是评价惰性化效果需要考虑的重要因素。实验结果表明，飞机油箱气体空间氧浓度降至规定值所需的时间受富氮气体流量、富氮气体氧浓度、油箱载油量以及采取的惰性化方式的影响。对不同惰性化方式的对比分析结果表明，使气体空间氧浓度降至规定值的最有效惰性化方式是油箱气体空间冲洗，而采用油箱气体空间冲洗和燃油洗涤同时进行的方式，对降低燃油溶解氧浓度最为有效。

最后，本文进行了飞机油箱惰性化过程的数值计算。基于质量守恒及理想气体状态方程等建立了油箱气体空间平衡氧浓度的数学模型，得到在不同工况下，油箱气体空间氧浓度和燃油氧浓度随时间的变化规律。计算结果和实验数据吻合较好，并针对冲洗和洗涤的惰性气体流量分配、惰性气体的氧浓度、油箱的环境压力等问题进行了优化分析。