1实验系统
实验系统如图1所示，它由大气环境模拟舱、机载中空纤维膜分离装置、气源设备及相关的测量、调节与控制仪器仪表组成。采用真空泵控制大气环境舱压力，实现对飞行高度的模拟；采用气源设备来模拟发动机不同的引气状态；采用氧分析仪，压力、温度和流量传感器来测试富氮气体浓度、流量等参数。实验中，输入膜装置的压缩空气系统是由压缩机储气罐、调压阀、孔板流量计、第一级冷却器、水分离器、过滤器、第二级冷却器、加热器等部件组成。供气流量由调节阀F1和F2控制，大小由孔板流量计测出。气体经第一级冷却后，由水分离器分离出水，再经过主路过滤器（AFF8B-06D）、油雾分离器（AM350-06D）和微雾分离器（AMD350-06D）三级过滤后进入膜分离装置，由于氧氮渗透速率的差异，氧气比氮气通过膜渗透的快，因此空气被分离成富氮气体和富氧气体。当需要加温或冷却时，分别开启调节阀F3或F4。采用真空泵与调节阀F5控制舱内高度。环境温度则由调节阀F8、F9、F10控制。需要加热时，打开F8，冷却时打开F9和F10。富氮气体流量控制是经减压阀稳压后，通过流量调节阀F7实现的，其输出流量由转子流量计计量，浓度由氧气浓度分析仪测量。通过温度传感器、压力传感器与计算机的配合工作，可对每次试验中膜入口气体温度、压力，出口富氮气体温度、压力，环境温度及装置中减压阀出口压力进行自动记录。保持工作环境稳定2～3min后，才记录结果。在实验中，空气入口压力分别控制为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8MPa，出口处富氮气体浓度分别控制为98%、95%、91%、88%和85%，进气温度分别控制为50℃、70℃、80℃、100℃和115℃，高度分别控制为0、5、10、12km。
2实验结果及其处理
2.1实验结果
实验共获取了120个点的实验数据，其部分实验结果如表1所示。
2.2实验结果处理
本文是采用数学拟合方法对实验结果进行处理的。所谓拟合是指已知某函数的若干离散值，通过调整该函数中待定系数，使得该函数与已知值的相差最小。
2.2实验结果处理
本文是采用数学拟合方法对实验结果进行处理的。所谓拟合是指已知某函数的若干离散值，通过调整该函数中待定系数，使得该函数与已知值的相差最小。
2.3高度修正系数
由于实验变量多，且实际工作中高度对分离性能的影响较小，为了降低拟合系数求解的难度，提高拟合公式的计算精度，在上述多项式拟合中，并没有考虑高度变化对富氮气体流量的影响，而是直接依据海平面状态下的实验数据开展拟合工作的。
3富氮气体流量影响因素研究
3.1温度对富氮流量的影响
引气压力为0.5MPa，高度为0km，富氮浓度分别为98%、95%、91%、88%和85%时，引气温度对富氮流量的影响如图3所示。由图可见，富氮流量随着引气温度的增加而增加。观察富氮浓度曲线变化可以看出，随着富氮浓度的降低，引气温度对富氮流量的影响加大。
3.2浓度对富氮流量的影响
温度为80℃，高度为0km，引气压力分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8MPa时，富氮气体浓度对富氮流量的影响如图4所示。加而减少；当在引气压力较大的时候，富氮流量随富氮浓度的变化更为明显。
3.3引气压力对富氮流量的影响
富氮浓度为91%，高度为0km，温度分别为50℃、70℃、80℃、、90℃、100℃和115℃时，引气压力对膜分离性能的影响如图5所示。由图5可以看出，富氮流量随着压力的增加而增加；温度越高，压力对富氮流量变化的影响越明显。3.4飞行高度对富氮流量的影响引气压力控制为0.7MPa，引气温度控制为115℃，富氮气体浓度分别控制为98%、95%、91%、88%和85%时，高度对富氮流量的影响如图6所示。由图中可以看出：富氮流量随着高度的增加而增加；但富氮浓度越高，高度对富氮流量的影响越小。
4飞行包线下富氮气体流量研究
本文以文献[15]中所提供的飞行包线为例，来研究在全飞行包线下，富氮气体流量的变化规律。文献[8]中所提供的引气压力、温度、富氮气体浓度及飞行高度与时间的变化关系如图7所示。根据上文所得的拟合公式，嵌入图7所示参数，建立图8所示的仿真模型，开展计算，其计算结果与文献[15]中所给出的参考结果的比较如图9所示。由图中可以看出，本文的计算结果与参考结果总体的变化趋势十分吻合；而数值上的差距是由于本文所采用的分离膜材料特性与文献中的材料特性之间差异造成的。
5结论
研究结果表明：（1）本文所获分离性能公式具有较好的准确性，可真实反映膜分离性能的变化规律；（2）本文建立的分离性能模型可用于实际飞行包线下富氮气体流量的计算；（3）在一定压力、温度下，富氮浓度与流量成反向关系，当浓度增加时，其流量下降；且温度越高、压力越大时，富氮气体浓度对流量影响越明显；（4）高度、压力、温度与流量成正向关系，且当富氮浓度越低、高度（温度、压力）越高时，对流量的影响越明显。
作者：邵垒 刘卫华 冯诗愚 古远康 刘维蟠
