板翅式换热器传递函数动态模型及参数确定方法

飞机综合环控/热管理系统迫切需要建立快捷高效的换热器动态仿真模型,以满足先进控制系统设计需求。基于此,针对板翅式换热器动态模型,提出一种包含2个延迟环节和4个一阶惯性环节的传递函数矩阵形式,并从换热器机理模型出发,利用拉普拉斯变换推导模型中4个时间常数的计算公式,提出基于换热器效率的传热热阻计算关系式的辨识方法,解决了主要模型参数设置难题。以板翅式换热器为研究对象,在Simulink仿真平台搭建其传递函数动态模型,并与AMESim仿真平台搭建的机理模型进行对比分析,结果显示：2种模型所得空气和冷却水出口温度分别随入口温度和质量流量阶跃变化的动态响应曲线吻合很好,其中,4种工况空气和冷却水出口温度最大稳态偏差分别为0.034℃和0.029℃,当冷却水入口质量流量阶跃变化时,空气出口温度动态响应相对偏差最大,为9.27%,当空气入口质量流量阶跃变化时,冷却水出口温度动态响应相对偏差最大,为7.03%。     

机载条件下PCHE通道内流动换热特性研究

以飞机燃油系统和环控系统中常见的航空煤油(大庆 RP-3)和防冻液(65号)作为工质,对印刷电路板式换摘热器(PCHE)通道单元中 2种工质的逆流换热进行了三维数值模拟研究。实验中共设计 4种模型,即角度为 15°的 Z型双通道基础模型以及据此优化的其他 3种模型,不同模型的通道入口水力直径均为 1.2 mm。此外,燃油入口温度为 -40~40 ℃,防冻液入口温度为 50 ℃,它们的物性参数均随温度变化而变化。利用综合评价因子 η对模拟结果进行分析,获得了不同模型的流动换热特性。结果表明,优化模型的 η均大于基础模型。冷边入口温度相同时,优化模型的冷边最大 η出现在 400 kg/(m2·s) ,热边最大 η出现在 200 kg/(m2·s) 。质量流速相同时,若流速较小,则优化模型的冷边最大 η出现在 20 ℃,热边最大 η出现在 40 ℃,若流速较大,则冷边和热边最大 η均出现在 -40 ℃,但是冷边和热边流速大小的分界线不同。由此说明,环境温度变化引起的工质物性变化对 PCHE通道最优工况的出现影响显著。     

印刷电路板式氦加热器热力设计方法与性能

印刷电路板换热器作为一种新型的微通道换热器,具有紧凑高效、耐温耐压、可模块化等优势,在火箭发动机中具有很好的应用前景,但目前将印刷电路板换热器应用于火箭发动机的研究很少。对火箭发动机氦加热器提出了印刷电路板换热器的设计思路,开发了热力设计程序,并对其进行了数值模拟。结果表明：印刷电路板式氦加热器芯体具有较小的体积和质量,冷热侧温降的模拟值与计算值最大相对误差为1.33%,冷热侧压降的模拟值与计算值之间的最大相对误差为18.51%,证明了所开发的分段热力设计方法用于印刷电路板式氦加热器具有较高的准确性。氦加热器的冷端换热能力最强,热侧流体流动更加剧烈,换热能力更强,但同时也有更大的压降。     

条缝肋管风冷换热器传热系数计算及最佳设计

介绍了近似计算空调常用条缝肋片管风冷换热器传热系数及流动阻力的数学模拟, 计算方法和试验比较吻合, 说明计算方法是可行的、实用的。对风冷换热器进行优化设计和原产品对比, 效果明显, 说明优化设计是可行的。      

机载换热器工作包线计算及试验研究

机载环控用气液板翅式换热器,热边为循环冷却液,冷边为冲压空气,其换热量与飞行高度、飞行马赫数息息相关。为了确定换热器满足换热量要求的工作条件,提出一种额定换热器工作包线计算方法,对换热器进行参数计算和优化,最终得到符合技术要求的工作包线和换热器结构。选取工作包线上典型工作点,设计真空舱试验,模拟飞行高度和速度,对换热器换热性能进行测试。试验结果显示各工作点换热器换热量与额定换热量相差3.2%,表明工作包线计算方法可行、准确,可为同类换热器优化设计和工作包线计算提供参考。     

多种平直开缝翅片换热特性的数值研究

采用有限体积法商业软件FLUENT,应用SIMPLE算法对某管翅式换热器平直开缝翅片的换热特性进行了数值研究,并提出了多种改进翅片模型。将这些改进模型与原模型在相同仿真条件下进行3D数值对比分析,结果表明:翅片的形状、开缝位置对翅片的总换热量、平均压降和阻力系数等均有影响;在来流速度为5 m/s时,"前疏后密"的双向开缝翅可使传热提高11.8%,压降上升15.7%左右;双耳结构的旋转型翅片在Re=2 400~8 400时,可使传热提高5%~8.28%,压降仅提高0.25%~0.83%,综合性能最佳,为管翅式换热器翅片的设计提供了有益的参考。     

板翅式及管翅式换热器气流湍流特性研究

在连续式回流风洞中,为了控制风洞气流的总温,平衡风扇或压缩机做功产生的热量,需要在风洞试验段上游布置换热器。风洞换热器除了需要提高换热效率、降低压力损失之外,其对来流的整流效果及自身所引发的湍流流动也会对风洞试验段流场品质造成影响。在0.55 m×0.40 m低噪声航空声学风洞中,使用热线风速仪对椭圆管翅片式及板翅式换热器的下游湍流度分布进行了试验研究,获得了不同构型换热器的压力损失特性。采用数值模拟方法,对不同构型热交换器的再生湍流度进行了模拟和分析。研究结果表明,椭圆管翅片式与板翅式换热器对湍流流动的整流效果有明显差异。椭圆管翅片式换热器对降低湍流度、抑制其不均匀分布的效果要优于板翅式换热器,板翅式换热器对湍流度横向分量的整流效果较好,板翅式换热器的再生湍流度约为管翅式换热器的30%~40%。研究结果可为高流场品质要求的大型连续式风洞换热器的选型及优化提供参考。     

不可逆闭式中冷回热布雷顿循环效率优化

应用有限时间热力学的方法优化了恒温热源条件下不可逆闭式中冷回热布雷顿循环的中间压比分配和高温侧换热器、低温侧换热器、中冷器及回热器热导率分配，得到了循环最大热效率；通过进一步优化总压比，又得到了双重最大效率。最后通过数值计算，研究了一些重要参数对循环优化结果的影响。     

紧凑式换热器全高度传热特性研究

发展了可工程应用的紧凑式换热器传热模型,从三个层次对换热器进行讨论。针对空气循环制冷系统中的换热器,分析了二轮低压除水和二轮高压除水空气循环制冷系统中换热器的传热特性,计算结果与试验数据符合良好。该方法利用较少的实验数据即可得到全高度特性,不仅满足工程计算的要求,而且为评估换热器性能提供了理论依据。     

螺旋管式空气-空气换热器的设计和实验研究

为解决飞行器高马赫数飞行时,用于冷却航空发动机涡轮叶片和其他高温部件的压气机出口空气温度过高的问题,设计加工了一种以外涵空气为冷源的螺旋管式空气-空气换热器用于预先冷却冷却空气。换热器由48根材料为不锈钢321,外径4 mm,壁厚0.5 mm的螺旋管组成,重量1.91 kg,传热面积密度106 m2/m3。在常温工况下实验研究了换热器管内和管外流体的阻力特性,高温条件下试验验证了换热器设计点性能,压气机出口空气温降达188 K,功重比4.9 kW/kg,换热器展现出较强的换热能力。高温条件下实验研究了两侧空气流量分别单独变化时换热器的热动力性能,拟合了管外换热经验关系式。研究结果可用于未来相似结构换热器的设计。