飞机机载综合热管理系统仿真研究

主要对飞机机载系统综合热管理系统进行稳态和动态仿真研究.建立系统各部件的数学模型,确定系统各部件的参数,并在MATLAB/sIMU LlNK平台上搭建系统仿真模块.整个系统由几个子系统构成,子系统之间以热量作为耦合计算参数,通过仿真找出各状态点温度在非设计工况下的变化规律.在系统稳态仿真过程中,主要对空气循环子系统及燃油循环子系统中各部件的进出口温度进行分析.在动态仿真过程中,系统的换热器都采用集总参数法建立其数学模型;系统中动态特性变化很快的部件采用稳态数学模型代替其动态模型,不影响其计算结果精度.在假定的飞行任务条件下,仿真、分析整个系统中各状态点温度随时间的变化规律.最后,将该系统与传统的空气循环制冷系统进行比较,并计算它们各自的代偿损失.比较表明,综合热管理系统的代偿损失比传统的空气制冷循环系统有很大减少.     

高超声速飞机热管理系统控制模型构建与仿真

以高超声速飞机为研究对象,提出了一种基于单相流体回路的热管理系统(TMS)模型,通过热控制策略与热沉调度模型实现热沉制冷能力最大化目标,解决新型高速飞机日益彰显的冷源不足问题。热控制策略利用系统辨识与热载荷预测算法,提出基于能量平衡与温度反馈配合的热控制模型,解决热惯性带来的控制延迟问题。基于热沉冷却能力评估与热载荷匹配提出热沉调度模型,旨在合理利用各种冷源,解决飞行后期冷源不足的问题。研究通过MATLAB/Simulink仿真验证模型及算法,结果表明:所设计的TMS能够满足高超声速飞机长时间飞行需求;考虑能量平衡的控制模型在超调量及衰减比方面均优于温度反馈控制模型;基于热沉调度策略能够降低冷源消耗速率,更充分地利用各种机载热沉。      

飞机热管理系统动态仿真

为解决飞机热源散热需求大、可用热沉不足的矛盾,提出了一种热管理系统仿真方法.从飞行全过程的角度开展热管理系统方案研究,同时采用C++与AMESim软件,开发了燃油和环控分系统仿真模型,构建了热管理系统动态仿真平台,完成系统仿真.有效地分析了给定飞行剖面条件下,各子系统耦合后的动态变化特性,实时预测设备、散热器、各油箱的...     

航空发动机燃油热管理系统仿真及试验验证

为充分利用燃油作为热沉介质,发挥其最大效益,针对航空发动机燃油热管理系统开展了AMESim建模仿真及试验验证。结果表明,主泵出口燃油温升的仿真与试验结果误差最大为2.99℃,热回油温升的仿真与试验结果误差最大为6.81℃。发动机典型状态点下,燃油热管理系统热回油温度和喷嘴前温度的仿真与试验结果差异在5℃以内,仿真模型置信度较高。研究结果可为技术人员开展航空发动机燃油热管理系统方案设计和评估提供参考。     

超声速飞行器综合热管理系统优化设计

针对飞行器超声速巡航时遭受机体外部气动加热与辐射换热的情况，提出了一套综合考虑燃油系统、冲压空气与消耗性冷却剂制冷系统及热防护系统的超声速飞行器综合热管理系统；针对典型的超声速飞行包线，基于二阶多项式响应面代理模型技术，以热防护层厚度、回油质量流量以及消耗性相变冷却剂质量流量为设计变量，以燃烧室进口燃油温度为约束条件，以变量引起的起飞重量增量及其燃油质量代偿损失最小为设计目标，采用自适应模拟退火算法对综合热管理系统进行了优化设计。结果表明：采用二阶多项式响应面代理模型计算的结果与仿真计算结果的误差低于2%；在本文选取的设计变量取值范围内，最优方案倾向于热防护层厚度和冷却剂质量流量取最小值而回油质量流量取中间值，且最优方案较第一组初始方案就目标函数而言减重约16%。     

紧凑翅片管式空气-燃油换热器试验

为实现航空发动机内部热环境与热沉的有效交互，探究换热元件的流动换热特性。以航空发动机燃油系统回油冷却换热器为例，开展了小管径矩形翅片管式空气-燃油换热器流动换热性能试验研究。试验采用高温燃油与常温空气两股工质在换热器中进行能量交换，探究换热器在不同工况下的流动与换热性能，获取矩形翅片管式换热单元管外流动换热经验关联式。结果表明：矩形翅片管式换热单元的表面传热系数约为相同结构参数光滑管束换热单元的44%，且试验结构换热单元阻力系数高于光滑管束单元，在进行翅片管束换热器设计时应综合考虑翅片对流动换热性能的影响。试验获取的翅片管式换热单元管外努塞尔数经验关联式与阻力系数经验关联式拟合偏差均不超过5%，较为准确地反应了换热单元外侧的流动换热特性。     

先进飞机中燃油系统的综合化控制与管理

机载机电系统的综合管理与控制逐渐成为现代飞机发展的必然趋势.论述了机载机电系统以及机电公管计算机(USMC)对燃油系统的控制与管理功能,介绍了双余度的机电公管计算机对燃油系统的控制方法,介绍了机电系统的主要子系统之一--燃油测量系统的工作原理,详细地分析了燃油系统各油箱油量的采集及测量方法,论述了机电公管计算机对燃油系统的供油/输油控制、加/放油控制、热负载控制等功能.说明了随着电子技术飞速发展,各机电子系统相互独立,各自为政的状况已不能满足日益发展的新一代战机的要求.开发出机电综合控制与管理系统,实现机电系统的统一调度与全局控制,实现各子系统之间的信息共享,满足系统的小型化要求,是新型战机发展的必然趋势.     

飞行器百千瓦级相变储热换热器性能仿真研究

机载激光武器每次工作时会产生几百千瓦的废热,国外研究机构普遍采用相变储热换热器,对其进行短时存储、长时排散。基于此,针对国际先进相变储热换热器技术进行探索性研究,提出一种三通道板翅式相变储热换热器构型,通过数值模拟的方式,定量分析了换热器主要结构参数对工作性能的影响。结果表明,热流体出口温度随相变材料通道翅片高度的增加而下降,且随流体通道翅片高度和翅片节距的增加而上升。此外,换热器内部区域存在低效储热区、高效储热区和控温缓冲区3个部分,需要通过设置多流程的方式,以确保蓄热期间内热流体出口温度始终满足设计要求。     

飞机燃油系统热管理研究

为了充分利用飞机所载燃油作为冷源来冷却飞机的其他机载设备与系统,发挥燃油的最大使用效益,提出了飞机燃油系统热管理.通过对飞机燃油系统中流体网络的关键部件燃油增压泵、液动涡轮泵和管网进行数学建模以求解流体网络各节点的流量、压力、温度和热损失,从而能预测出各种情况下换热器前的燃油入口温度和进入飞机发动机前的燃油温度.研究内容可为飞机燃油这一冷源的综合利用及飞机燃油系统的热管理提供科学依据.      

下一代战斗机综合环境控制/热管理系统开发现状

主要介绍了下一代战斗机在热能管理方式上的一个突破——综合环境控制／热管理系统的开发现状，下一代战斗机在设计上更注重从全机水平上考虑系统功能和效率。在这一背景下，环境控制系统的多种制冷方式联合作用，形成综合环境控制系统。更进一步，环境控制系统与热管理系统组合，形成综合环境控制／热管理系统。系统在全机范围内对热能进行管理和控制。系统考虑整个飞行包线内的设计需求，综合利用多种制冷形式和两种热沉——冲压空气和燃油，使系统在整个飞行包线内具有良好的性能，满足飞机总体需要。     

热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用

针对机载电子设备的高热流密度和关键器件的高功耗,采用相变传热的微热管散热技术,在保持原受限空间和模块安装方式的前提下,研制出不同结构形式的热管散热模组。其结果证明,在满足机载使用要求和工作条件下,热管散热模组能有效解决高功耗器件的散热问题,实现电子模块的控温和均温,突破了机载电子设备结构热设计的瓶颈。本文结合实例从微热管结构对传热性能的影响研究、热管散热模组研制、数值模拟等方面介绍热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用,为微热管散热技术在机载电子产品领域的工程应用提供了重要的参考价值。     

高超声速飞行器发动机热防护与发电一体化系统

在对高超声速飞行器的热防护和机载设备电能需求的综合考虑下,立足发动机能量管理优化,结合CO2的物性特点,提出了以超临界CO2为循环工质的高效热防护与高温发电一体化系统.此一体化方案可以在实现发动机热防护的同时,提供电能、并减少冷却用燃油流量.基于燃油为该一体化系统的唯一热沉,通过理论分析和计算,提出了两个一体化系统,通...     

Dynamic temperature prediction of electronic equipment under high altitude long endurance conditions

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is developing towards the direction of High Altitude Long Endurance (HALE). This will have an important influence on the stability of its airborne electronic equipment using passive thermal management. In this paper, a multi-node transient thermal model for airborne electronic equipment is set up based on the thermal network method to predict their dynamic temperature responses under high altitude and long flight time conditions. Some relevant factors are considered into this temperature prediction model including flight environment, radiation, convection, heat conduction, etc. An experimental chamber simulating a high altitude flight environment was set up to survey the dynamic thermal responses of airborne electronic equipment in a UAV. According to the experimental measurement results, the multi-node transient thermal model is verified without consideration of the effects of flight speed. Then, a modified way about outside flight speed is added into the model to improve the temperature prediction performance. Finally, the corresponding simulation code is developed based on the proposed model. It can realize the dynamic temperature prediction of airborne electronic equipment under HALE conditions.     

适用无人机的小型燃料电池控制方法

燃料电池动力系统作为一种长航时电动无人机的动力方案,其燃料电池的控制技术是决定动力系统可靠性和高效性的关键技术。针对用于无人机的小型空冷型开放阴极的质子交换膜燃料电池,考虑面向工程应用的燃料电池整体控制过程,兼顾电堆温度控制和水管理,提出了一种前馈型模糊PID的电堆温度控制方法,同时设计了一种基于安时积分门限法的膜水含量调节策略,以实现对整个燃料电池系统的高效控制。通过搭建燃料电池温度控制与水管理试验平台,对所提出的控制技术进行了试验验证,并与现有温控和水管理方法进行了对比分析。试验结果表明：所提前馈型模糊PID方法在较长时间的燃料电池启动过程中能够较快地达到目标温度,相比于PID方法减少了7%的调节时间,与传统模糊PID方法相当;燃料电池电流持续减小时,所提前馈型模糊PID方法对超调量的抑制效果具有明显优势,其超调量仅为PID方法的34%,为传统模糊PID方法的43%;所提安时积分门限排水控制方法既能防止水淹故障,又可提高燃料经济性,在所给工况中相比现有方法节约了15%的氢气。     

高速飞机舱内设备布局设计

高速飞机设备舱需要面对严峻的内外热载荷,热安全问题尤为凸出。基于电子设备的温度工作条件。分析了设备舱进行热防护、热密封、热管理设计的必要性。提出了热防护、热密封,以及热管理多专业一体化耦合设计的设备舱温控观点。阐述了设备舱室内设备布置与热管理进行耦合设计的方法。为解决高超声速飞机设备舱室的设备布置及热控制问题提供了设计方法和思路.     

Transient performance and intelligent combination control of a novel spray cooling loop system

Effective thermal control systems are essential for the reliable working of insulated gate bipolar transistors （IGBTs） in many applications. A novel spray cooling loop system with integrated sintered porous copper wick （SCLS-SPC） is proposed to meet the requirements of higher device level heat fluxes and the harsh environments in some applications such as hybrid, fuel cell vehicles and aerospace. Fuzzy logic and proportional-integral-derivative （PID） policies are applied to adjust the electronic temperature within a safe working range. To evaluate the thermal control effect, a mathematical model of a 4-node thermal network and pump are established for predicting the dynamics of the SCLS-SPC. Moreover, the transient response of the 4 nodes and vapor mass flowrate under no control, PID and Fuzzy-PID are numerically investigated and discussed in detail.     

综合热管理在先进战斗机系统研制中的应用

分析了国外先进战斗机的发展情况，对比了需求的变化和发展趋势，阐述了综合热管理思想的内涵。结合中国先进战斗机的研制，论证了综合热管理的必要性和可行性。结合中国实际情况，提出了热收集、热传输、热排散等综合优化设计方法，采用了多路径高效热收集传输手段、基于隐身的热排散等工程实现途径。综合应用基于温度控制的流量调节、内外循环热综合控制、多模式重构技术等手段，实现了热沉与制冷量的管理，满足了不同状态的热管理需求。针对未来的发展方向以及战斗机热管理面临的难题，提出了一定的见解。     

振动环境对相变组件热控性能影响的实验

为了研究振动环境对相变组件热控性能的影响,制备了基于纯硬脂酸和硬脂酸/泡沫铜复合相变材料的两种相变热控实验件,并进行了静止和振动环境中的热控实验。实验结果表明:泡沫铜的存在能够有效地强化相变组件的热控性能,在5000W/m2时,添加泡沫铜后平衡温度降低了19℃,有效热控时间延长了19.4%;在振动环境下,纯硬脂酸实验件的平衡温度降低了9.5℃,有效热控时间延长了13.2%;硬脂酸/泡沫铜实验件的有效热控时间延长了10.5%,振动带来的强迫对流能够有效强化相变组件的热控性能;并且相对于振动频率,振幅变化对影响结果的扰动较小,在一定的频率范围内,振动的影响随着频率的增加而变大。该研究可以为机载电子设备相变热控技术的应用提供参考。      

基于飞发一体化的滑油系统热性能仿真

航空发动机滑油系统与飞机、发动机的关联参数有限。为准确表达变工况滑油系统的热性能,通过研究发动机轴承腔热性能与转子转速及主流路温度参数的拟合关系,将主机温度、燃滑油参数作为输入,对发动机滑油系统在飞行剖面上典型飞行状态点的热性能参数进行了迭代计算;针对管壳式燃滑油散热器结构及运行特性,计算了散热器换热性能。建立轴承腔和散热器的数学模型;基于系统流动仿真平台,利用内部的二次开发环境编写出C#语言代码,开发出了适用于发动机的轴承生热模型和散热器模型,实现发动机滑油系统与发动机燃油系统及飞机热管理系统的联合计算;在航空发动机、飞机变工况输入条件下,进行滑油系统、发动机整机及飞发一体化的变工况热性能迭代计算,并与试验数据进行对比。结果表明：该计算方法误差小于5%,可较准确地反映变工况条件下的热管理相关参数,为飞发一体化热管理联合仿真分析提供可靠的数据来源。