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正常飞行时，增压座舱内气体压力高于高空环境大气压力。若座舱结构突然破损，舱内高压气体将从破口急速流向舱外，从而短时间与环境。大气压平衡，该过程即迅速减压或爆炸减压[1]。早在苏联时期，其联盟11号就由于飞行员过早打开压力平衡阀，发生迅速减压，造成飞行员死亡[2]。而据不完全统计，从20世纪70年代到21世纪初，国外部队发生高空迅速减压不下千次。至今，国内已经发生了不下五起迅速减压事件[3-5]。
因此，为了适应航空航天、基础研究、医学治疗、体育训练和高原适应等领域[6]的需要，研究人员利用低压舱来模拟高空迅速减压环境，并展开了许多研究。殷东辰[7]等研制了具有迅速减压功能的低压复合环境试验舱群，实现模拟气压高度40000 m、迅速减压时间达0.01 s。常规的低压舱迅速减压是利用撞针撞击钢化玻璃来实现，但安装难度大，风险和成本较高。相关人员利用气压弹放式装置[8]和快开阀门[9]来替代钢化玻璃。张磊等[10]针对大规模试验，又提出了一种用于直径为750 mm的泄压通道的新型门触发机构，并设计飞轮来抵消阀门开启时的动能。王帅等[11]根据航空工业的发展及航空医学研究需要，设计了双喉道的迅速减压装置，可实现单双级减压。为了使飞行员进行迅速减压训练时能够同时体验气流吹袭效果，李晗等[12]根据气源、执行机构、喷嘴矩阵、控制系统设计了一套气流吹袭装置。卢剑锋等[13]根据可压缩气体一维定常等熵流动理论，推导了迅速减压舱喉道流速、流量和减压平衡方程。但其只是以北京某中心一台迅速减压舱为研究对象，其减压舱容为9.66 m3，负压舱容为510 m3，喉道管径为800 mm，结构尺寸较为单一。迅速减压过程会引起频繁气流激励现象，田紫锋等[14]建立了迅速减压非线性系统的数学模型，通过多项式参数的方法，对气流振荡特性展开研究。
本文以襄阳某基地一台低压迅速减压舱为对象，其低压舱容为2.59 m3，负压舱容为250 m3，与文献[13]所研究对象存在差异，如图1所示。
该系统包含低压舱、负压源、真空系统、管道和迅速减压机构。其工作原理为：迅速减压前，迅速减压阀门关闭，真空泵将负压舱内压力抽至低压，将低压舱内压力抽至相对高压。压差使快速阀门装置爆破，直至两舱压力达到平衡，整个过程在50~300 ms之间，其原理如图2。
本文基于迅速减压正交试验表，进行迅速减压理论平衡时间计算，CFD仿真和试验，并分析迅速减压中流体激振现象。为低压舱系统的舱体结构改善、管路管径设计提供理论依据，减少迅速减压过程中流体激振对舱体损害，提高试验的安全性。
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迅速减压试验成本高且危险，不能进行多次的爆破试验以得到大量数据，故需要采取一个符合迅速减压试验特点的设计方法，即正交试验法[14]。
在迅速减压试验中，具有多个影响试验过程的因素和水平，但其主要因素只包含负压舱初始压力值A、低压舱初始压力值B、喉道管径大小C三个因素，每个因素包含三个水平数。这三个水平数既要满足试验要求，又要符合低压迅速减压舱有关规定。由于襄阳某试验基地的低压迅速减压舱设备原因，进行试验前需要使负压舱与低压舱之间的压差不得高于60 kPa，根据其试验要求，本文设计了迅速减压正交试验表，如表1。根据该表进行迅速减压平衡时间计算、CFD模拟仿真和迅速减压试验。
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文献[13]推导当负压舱与减压舱的容积之比大于50时迅速减压理论平衡时间t计算公式，具体如下：
式中：
$\mathop V\nolimits_{\rm{H}}$ 、$\mathop V\nolimits_{\rm{L}}$ 分别为减压舱和负压舱容积（m3）；$\mathop A\nolimits_{\rm{L}}$ 为喉道出口截面面积（m2）；$\mathop p\nolimits_{{\rm{H}}0}$ 、$\mathop p\nolimits_{{\rm{L}}0}$ 分别为减压舱和负压舱初始压力（kPa）；$\mathop p\nolimits_{{\rm{H}}t}$ 、$\mathop p\nolimits_{{\rm{L}}t}$ 分别为减压舱和负压舱在迅速减压t时刻的压力（kPa）；$\mathop p\nolimits_e $ 为平衡时的绝对压力（kPa）；$\mathop p\nolimits^*$ 为压力到达临界时的绝对压力（kPa）；k为气体绝热系数（空气取1.4）；R为气体常数（空气取287 J/kg.K）；$\mathop \varepsilon \nolimits^* $ 为临界压强比。根据该公式和正交试验表中的参数要求，利用Matlab计算得到本舱的迅速减压理论平衡时间，如表2。 -
为减少仿真计算时间，获得迅速减压试验最佳的试验效果，低压舱的有效容积与负压舱的最佳容积比尽量大于1:50[13]。本文低压舱容积为 2.59 m3，负压舱容积为150 m3。流体介质为理想气体，求解器选择为非定常模式，湍流模型为
$k \sim \varepsilon $ 模型，使用Fluent软件划分网格，如图3所示，有79216个节点，409549个单元。 -
设置边界条件：计算温度T=288 K；压力差分格式：标准离散差分格式；能量耗散率：二阶迎风差分格式；求解算法：Simple；Time Step:0.001 s；湍动能k与耗散率
$\varepsilon $ 的湍流普朗特数分别为：${\sigma _k} = 1.0$ ，${\sigma _\varepsilon } = 1.3$ 。根据两舱不同的初始压力、压差和喉道管径进行CFD仿真。得到如图4的迅速减压过程压力和速度变化曲线，图5的DN=800 mm迅速减压变化云图。
由图4可以看出，在压差恒定为60 kPa，喉道管径为800 mm的情况下从图4对比发现：（1）当压差恒定，初始压力相差不太大时，喉道管径越小，迅速减压首次平衡时间越短；当压差和喉道直径恒定时，两舱的初始压力值越大，迅速减压首次平衡时间越短。迅速减压时间实际反映了迅速减压过程中的速度变化，速度变化越快，振荡现象发生的可能性越大，从而导致低压舱内壁产生共振并影响设备的安全性和可靠性。（2）整个迅速减压过程中最大振荡量的时间在0~0.05 s之间，在3 s后逐渐达到平衡状态。图（a）当喉道直径和压差恒定时，由于初始压力的不同产生了不同的振幅；图（c）当压差变化后，所产生的振幅变大；图（a）（e）当喉道管径减小后，压差与初始压力相差不大时，所产生的振幅更加明显。（3）图（b）（d）（f）中看出，当高压气体进入管道时，由于管径变小，速度产生突变，然后在更小的喉道中速度变化更大，进入负压舱内速度减小。
由图5中平衡压力和速度分布云图直观看出，平衡压力分布较为均匀，高压主要分布在喉道部分以及内壁处，对舱体内壁进行能量输出。
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低压迅速减压舱主要用于模拟高空飞行时座舱失压导致的压力变化，以及模拟飞行员出舱时面临的瞬时环境状态变化。整个迅速减压过程在300 ms以内，而首次到达减压目标高度的时间最快达到50 ms以内。为满足实际需求，采用HELM AG-HM-22绝对压力变送器对低压舱和负压舱的压力进行实时监测，该高精度压力传感器可以更好地采集迅速减压试验中的压力变化。并利用NI-9203高精度采集板卡将数据采集处理后送入PC机研华IPC610工控机中保存和显示，经过高精度采集卡和NI的CompactDQA高速采集模块对所有数据采集处理之后，最终在上位机软件LabView屏幕上以图形曲线和数字的方式显示出来。整个试验平台是以S7-1500PLC控制器为核心，以S7-1200PLC控制器为辅助的集散控制系统（DCS），S7-1500PLC主要用来对迅速减压系统中的电磁阀和蝶阀等阀门、压力传感器以及真空系统进行控制，S7-1200PLC用来对主、次级爆破安全门、步进电机驱动器和照明系统控制。如图6为试验的自动控制系统界面。
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根据正交表在0.8 MPa的气缸压力下进行了迅速减压试验。观察迅速减压过程中产生的压力变化，进而分析压力振荡对低压舱所产生的影响。如图7所示：迅速减压时间在100~200 ms之间。
当快要到达目标压力时，舱内会出现振荡现象。随着压力的逐渐稳定，振荡波也逐渐恢复。当管径和两舱之间的压差不变时，由于初始压力的变化，产生了不同的振幅。当初始压力为65~5 kPa时，振幅对舱内的影响最大。
如图8所示：其中
$\Delta \mathop p\nolimits_1$ =60 kPa、$\Delta \mathop p\nolimits_2$ =34.5 kPa、$\Delta \mathop p\nolimits_3$ =50 kPa。发现管径减小后，迅速减压过程中产生的振荡波对舱室的影响较小。管径一定时，随着压差的不同，所产生的振荡波也不同。当两舱的初始压力为45.2~7.56 kPa时，初始压力和目标压力都很小，压力差也最小，产生的振荡波相对稳定，对舱室的影响最小。当两舱的初始压力为63.1~3.1 kPa，产生了较大的振荡波，此时对舱室的影响最大。如图9所示：其中
$\Delta \mathop p\nolimits_1$ =55 kPa、$\Delta \mathop p\nolimits_2$ =58 kPa、$\Delta \mathop p\nolimits_3$ =40.5 kPa。发现迅速减压产生的振荡波变小，当压差为58 kPa时产生的振荡波最大。两个舱室的初始压力也是迅速减压产生振荡的原因，喉道管径减小会使迅速减压时间变长，速度变低。此外，迅速减压时小管径所产生的振荡波会小于大管径所产生的振荡波。 -
在实测气缸压力为0.8 MPa的情况下，以相同参数条件，将迅速减压过程的CFD仿真数据与试验结果对比参照，以验证仿真方法的准确性。如表3。
由上述对照表可以得到的结论是：
（1）迅速减压CFD仿真数据和试验结果在首次平衡时间存在较大的误差。这是由于实际试验时爆破阀门开启需要一定的时间(约50 ms[16])，同时试验时的动力由0.8 MPa的气缸压力提供，而利用CFD仿真是直接启动。若排除实际试验时爆破机构带来的影响，两者所得结果较为接近，且试验得到的波形与仿真得到的波形较为吻合，验证了CFD仿真方法的准确性。
（2）在气缸压力恒定的情况下，随着两舱的压差、初始压力和喉道管径的不同，能够清晰地观察到影响迅速减压平衡时间和舱内流体激振现象的主要因素。根据 CFD仿真数据和实际试验结果显示，影响迅速减压系统减压平衡时间和振荡特性的三个因素依次是：喉道直径的大小、两舱之间的压差和初始压力。迅速减压时间实际上反映了迅速减压过程中的速度变化，速度变化越快，振荡现象发生的可能性就越大，从而导致低压舱内壁出现共振并影响设备的安全性和可靠性，因此也验证了进行迅速减压 CFD 仿真的必要性。
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将理论计算、CFD仿真与试验结果对比参照，如表4从表中直观看出理论与试验结果的最大相对误差为17.38%，最低为0.4%；仿真与试验结果的最大相对误差为8.8%，最低为2.04%。
本文以可压缩气体一维定常等熵流动理论完成了数值模拟计算、CFD仿真分析以及迅速减压爆破试验等研究。在CFD与理论计算中，忽略了迅速减压过程中气体摩擦带来的损耗，计算模型对象为理想气体；在实际的迅速减压试验中，低压舱与负压舱之间设置快速爆破阀门从而增加试验的可重复性以及降低试验成本，在文献[16]的研究基础上，这种快开阀门存在50 ms左右的时间误差。且该误差不仅与爆破门的质量和气缸压力的大小有关，也与两舱之间的压差有关。随着压差的减小，爆破门开启时间会随之延长。随着喉道管径的变大，其误差逐渐降低，这是因为喉道越小，快开阀门与负压舱低压环境的接触面变小，所产生的吸附力变小，导致阀门开启时间过大，产生更高的误差。若忽略这些误差来源，三者结果较为吻合，进一步验证了迅速减压过程已有公式计算平衡时间和已有仿真方法的准确性。
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本文根据某基地的试验要求和规定，设计了迅速减压过程的正交试验表，在此基础上，利用已有公式计算了迅速减压平衡时间，对低压迅速减压舱经模型简化后进行了CFD仿真，并以高精度传感器、PLC控制器和上位机软件LabView搭建了试验平台。通过计算、仿真和试验，得到了如下结论：
（1）文献[13]中以北京某中心一台低压舱为对象研究其迅速减压平衡时间，与本文研究对象在结构尺寸上存在差异，且设计参数也有不同。引用该文献中简化公式并利用Matlab软件计算了迅速减压平衡时间，若排除试验中爆破机构阀门打开带来的误差，该结果有较高的准确性，验证了已有公式的准确性。
（2）通过Soliworks建立了低压迅速减压舱的简化模型，利用Fluent软件进行了网格划分，根据正交实验表进行模拟仿真。得到迅速减压过程低压舱与喉道的压力、速度变化曲线和云图，对照了试验结果，排除误差影响，两者数据有较高的相似度，且波形较为吻合，验证了已有仿真方法的准确性以及仿真的必要性。
（3）通过试验平台、CFD仿真数据和图形分析得到，迅速减压过程震荡特性的影响因素依次是：喉道管径的大小、两舱之间的压差和初始压力。该结论可为低压迅速减压舱舱体和管道设计提供理论支撑，提高迅速减压试验过程的安全性。
低压舱迅速减压的计算与试验研究
Calculation and Experimental Research on Rapid Decompression of Low Pressure Cabins
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摘要: 为探究低压舱迅速减压平衡时间和流体激振的影响因素。文章设计正交试验表，以可压缩气体一维定常等熵流动理论、基于Workbench的CFD仿真分析方法为研究方法，并搭建基于高精度传感器、PLC和LabView的试验平台进行迅速减压爆破试验。对比理论计算、CFD仿真与试验结果，理论计算与试验最高误差17.38%，最低误差0.4%；仿真结果与试验最高误差8.8%，最低误差2.04%。若忽略理论计算时气体摩擦等因素的影响，以及试验时迅速减压阀门开启时间约50 ms的误差，三者所得迅速减压平衡时间近似，且仿真与试验曲线波形吻合，验证了已有公式和仿真方法的准确性。并得到迅速减压过程振荡特性的影响因素依次是：喉道管径大小、两舱之间压力差和两舱初始压力。上述结果为低压迅速减压舱舱体与喉道设计提供指导意义，能预防流体激振对舱体损害，提高试验安全性。Abstract: In order to explore the influencing factors of rapid decompression equilibrium time and fluid excitation in low-pressure chambers, an orthogonal test table is designed, the one-dimensional constant isentropic flow theory of compressible gases and the CFD simulation analysis method based on Workbench are used as research methods, and a test platform based on high-precision sensor, PLC and LabView is built to conduct rapid decompression burst test. Compared with the theoretical calculation, CFD simulation and test results, the highest error between theoretical calculation and test was 17.38%, and the lowest error was 0.4%. The highest error between the simulation results and the test is 8.8%, and the lowest error is 2.04%. If the influence of gas friction and other factors during theoretical calculation and the error of the opening time of the rapid pressure relief valve during the test are about 540 ms, the rapid pressure reduction equilibrium time obtained by the three is approximated, and the simulation is consistent with the waveform of the test curve, which verifies the accuracy of the existing formulas and simulation methods. The influencing factors of the oscillation characteristics of the rapid decompression process are the size of the pipe diameter of the throat, the pressure difference between the two compartments and the initial pressure of the two compartments. The above results provide guidance for the design of the cabin and throat channel of the low-pressure rapid decompression cabin, which can prevent the damage of fluid excitation to the cabin and improve the safety of the test.
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图 4 低压舱迅速减压过程压力和速度变化曲线。（a）（b）分别为DN=800 mm是低压舱压力和速度变化曲线，（c）（d）分别为DN=600 mm是低压舱压力和速度变化曲线，（e）（f）分别为DN=500 mm是低压舱压力和速度变化曲线
Figure 4. The pressure and velocity curves of the rapid depressurization process in the low pressure chamber. (a) (b) DN=800 mm is the pressure and velocity change curve of the low-pressure chamber, (c) (d) DN=600 mm is the pressure and velocity change curve of the low-pressure chamber, (e) (f) DN=500 mm is the pressure and velocity change curve of the low-pressure chamber
图 5 DN=800 mm 迅速减压变化云图。（a）（b）分别为初始压力条件为75−15 kPa迅速减压平衡压力和速度分布云图，（c）（d）分别为初始压力条件为70−10 kPa迅速减压平衡压力和速度分布云图，（e）（f）分别为初始压力条件为65−5 kPa迅速减压平衡压力和速度分布云图
Figure 5. DN=800 mm rapid decompression change cloud. (a) (b) Cloud charts of rapid decompression equilibrium pressure and velocity distribution with initial pressure conditions of 75−15 kPa, respectively, (c) (d) Cloud charts of rapid decompression equilibrium pressure and velocity distribution with initial pressure conditions of 70−10 kPa, respectively, (e) (f) Cloud charts of rapid decompression equilibrium pressure and velocity distribution with initial pressure conditions of 65−5 kPa, respectively
图 6 迅速减压舱自动控制系统界面
Figure 6. Interface of the automatic control system for rapid decompression
表 1 迅速减压正交试验表
Table 1. Rapid decompression test table
试验次数 因素A/kPa 因素B/kPa 因素C/mm 压力差/kPa 1 15 75 800 60 2 10 70 800 60 3 5 65 800 60 4 3.1 63.1 600 60 5 7.56 45.2 600 34.5 6 15 65 600 50 7 15 70 500 55 8 S31 89 500 58 9 17.5 58 500 40.5 
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表 2 迅速减压理论平衡时间表
Table 2. Rapid decompression and balance schedule
序号 负压舱初始
压力/kPa低压舱初始
压力/kPa喉道管径
/mm减压平衡
时间/ms1 15 75 800 22.76 2 10 70 800 29.66 3 5 65 800 51.57 4 3.1 63.1 600 44.79 5 7.56 45.2 600 46.63 6 65 15 600 36.59 7 15 70 500 55.17 8 31 89 500 39.53 9 17.5 58 500 43.42
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表 3 迅速减压CFD仿真与实验结果对照
Table 3. Rapid decompression CFD simulation and comparison of experimental results
负压舱初始
压力/kPa减压舱初始
压力/kPa首次到达平衡
压力时间/ms首次到达波谷
时间/ms第二次到达平衡
压力时间/ms首次波峰
时间/ms喉道管径
/mmCFD仿真 试验 CFD仿真 试验 CFD仿真 试验 CFD仿真 试验 15 75 27 75 33 83 42 88 52 96 800 10 70 31 85 38 86 47 86 58 99 800 5 65 46 98 43 58 48 86 59 66 800 3.1 63.1 41 95 46 163 54 191 57 206 600 7.56 45.2 43 145 36 103 46 117 56 122 600 15 65 32 103 32 68 42 112 52 82 600 15 70 50 107 33 236 42 253 52 279 500 31 89 42 94 25 123 37 151 47 169 500 17.5 58 44 131 27 137 38 197 48 197 500
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表 4 理论计算、CFD仿真与试验结果对照
Table 4. Theoretical calculation, CFD simulation and comparison of experimental results
负压舱初
始压力
/kPa减压舱初
始压力
/kPa平衡压力
/kPa首次到达平衡
压力时间/ms爆破门开启
时间/ms减去爆破时间
的试验时间
/ms喉道管径
/mm理论计算与试验
（减去爆破门开启
时间）相对误差仿真与试验
（减去爆破门
开启时间）
相对误差理论
计算CFD
仿真试验（0.8 MPa
气缸压力下）15 75 16.018 22.76 27 75 50 25 800 16.44% 8% 10 70 11.018 29.66 31 85 50 35 800 15.25% 5.71% 5 65 6.018 51.57 46 98 50 48 800 7.43% 4% 3.1 63.1 4.118 44.79 41 95 50 45 600 0.4% 8.8% 7.56 45.2 8.198 46.63 43 145 105 40 600 8.44% 7.5% 15 65 15.848 36.59 32 103 70 33 600 10.87% 3.03% 15 70 15.933 55.17 50 107 58 49 500 17.38% 2.04% 31 89 31.984 39.53 42 94 55 39 500 1.35% 7.69% 17.5 58 18.187 43.42 44 131 98 43 500 0.97% 2.32%
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