飞机液冷系统的流量测量及计算

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摘要： 飞机液体系统由于其高换热系数、较高的冷却效率及稳定的工作能力将成为现代高性能飞机的电子设备散热的必然。国内飞机液冷系统的研究刚刚起步，技术尚不完善，为了研究液冷系统的性能进而需测量系统管路的流量，而目前尽管地面系统涉及的液体流量测量方法较多，但由于设备体积较大难以在飞机上实施。另外，由于军事保密等原因，国外的相关报道甚少。鉴于上述原因，提供一种结构简单、安装方便的飞机液冷系统流量的测量方法迫在眉睫。据此，本文提出了一种可用于飞机液冷系统测量的测量方法，其考虑了飞行加速度对流量测量的影响。同时，以弯管为例，通过数值模拟的方法，获得了弯管压降的无量纲关系式。论文的研究成果将为飞机液冷系统流量的测量和计算提供技术参考。

Abstract： Aircraft liquid system， due to its high heat transfer coefficient， high cooling efficiency and stable working ability， will become the necessity for cooling of electronic equipment of modern high-performance aircraft. Domestic aircraft cooling system research has just started and the technology is not perfect， so in order to study the performance of the liquid-cooled system， it is necessary to measure the flow of the system piping. At present， although the methods of measuring the liquid flow in the ground system are more， they are difficult to implement on the plane due to large equipment volume. In addition， due to military secrecy and other reasons， there are few foreign reports. In view of the above reasons， it is imminent to provide a simple and easy flow measurement method of aircraft air cooling system. Accordingly， this paper presents a measurement method that can be used in the measurement of aircraft cooling system， which takes into account the impact of flight acceleration on flow measurement. At the same time， taking the elbow as an example， through the numerical simulation method， the dimensionless relation of the pressure drop of the elbow is obtained. The research results of this paper will provide technical reference for the measurement and calculation of the flow rate of aircraft cooling system.

关键词： 加速度；流量；弯管；无量纲

Key words： acceleration；flow；elbow；dimensionless

中图分类号：V241 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）15-0085-04

1 背景及现状分析

近年来，航空装备发生了巨大的变化，机载电子设备的应用越来越广泛，电子舱热载荷急剧增加，它所产生的热负荷已从原来的几千瓦增大到几十千瓦。这些电子设备工作时，一方面除了发射出少量功率以外，70%～90%的输入功率都转变成了热量；另一方面，随着电子器件向集成化、小型化发展的趋势，电子设备功率增大、封装密度增大、体积缩小，导致电子设备的热流密度急剧上升。如果这些热量不能及时得到冷却，将直接影响电子设备的正常工作，甚至引起电子设备的破坏。因此，解决大功率、高热密度下机载电子设备的冷却是特种飞机环境控制中的一个十分关键的问题，也是特种飞机完成使命的一个重要保证。然而，传统的空气冷却面临多种问题：首先是发动机不能提供过大的引气量；其次，空气冷却管路在電子设备内部难以布置；另外，空气作为冷却介质不能满足高热流密度换热的要求。而液体由于其换热系数和比热远比空气大，液体冷却系统具有较高的冷却效率及稳定的工作能力。因此，液体冷却系统用于现代高性能飞机的电子设备散热成为必然。

液冷系统的主要特性参数除温度和压力以外，制冷液的流量也是一个重要的设计参数，它的获得主要通过实验测量。传统的液体流量测量方法有很多，但在飞机上实施有一定的难度，存在泄漏、受飞行工况制约等诸多不利因素，因此必须寻找一种安全可行的测量和标定方法。

鉴于上述原因，本文提出了一种结构简单、安装方便的飞机液冷系统流量的测量方法，并通过修正系数法对液冷剂的流量进行修正标定。同时，基于CFD技术，对弯管的压降进行数值模拟，获得了弯管数值计算的无量纲关联式。上述研究成果为飞机液冷系统流量的测量和计算提供技术参考。

2 流量测量和标定方法的提出

2.1 测量及标定装置

为了实现机载液冷系统中管路流量参数的测量，本文采用一种结构简单、对原有结构破坏小的飞机液冷管路系统流量地面标定方法及装置。

飞机液冷管路系统流量标定地面装置，包括旋转平台和安装于所述旋转平台上的流量标定循环系统。其中，所述旋转平台包括转台、电动机和变频器，电动机驱动所述转台转动，变频器与电动机相连，用于控制电动机的转速。

流量标定循环系统包括液体循环系统、参数测量系统及数据采集系统。其中，液体循环系统包括水箱、泵、加热器、过滤器、试验段、进口阀门和出口阀门。水箱、泵、过滤器、加热器、进口阀门、试验段和出口阀门通过管路依次相连。水箱出水口通过管路与所述泵相连，所述出口阀门通过管路与水箱的回水口相连。参数测量系统包括流量计、温度传感器和压力传感器，所述流量计、温度传感器和压力传感器分别安装于所述试验段的前后位置管路上。

数据采集系统包括计算机和与所述参数测量系统相连的数据采集模块。

2.2 测量及标定方法

基于飞机液冷管路系统流量标定地面装置进行的飞机液冷管路系统流量地面标定方法，包括以下步骤：

①利用旋转平台模拟液体管路系统在飞行中所受到的飞行载荷，其中通过调节旋转平台的转速来实现不同的载荷大小，通过试验段的布置方向来获得载荷方向；

②流量标定循环系统安装于转台上，以实现测量参数的实时记录和保存；

③通过调节加热器的功率来实现试验段中不同的液体温度；通过调节出口阀门的开度来实现所述液体循环系统管路中不同的压力；

④选取飞机液体管路系统中的变直径或弯头管路作为试验件，通过地面流量标定试验平台对试验件进行不同加速度、压力和温度下的标定来获得试验件的流量特性；

⑤在进行流量标定实验时，试验段所在位置的离心力方向视为飞机的机头方向；

⑥标定实验的加速度 从-6g做到+6g，间隔为1g；温度 根据冷却液的工作温度从最低温度做到最高温度，间隔5℃；压差 从0到50kPa，间隔为5kPa；

⑦记录下不同加速度、温度和压力下的流量，成立流量数据库。

测量及标定方法的结构原理图如图1。

2.3 流量测量数值计算方法

在进行流量标定实验时，试验段所在位置的离心力方向视为飞机的机头方向；

标定实验的加速度a从-10g做到+10g，间隔为1g；温度T根据冷却液的工作温度从最低温度做到最高温度，间隔5℃；压差从0到50kPa，间隔为5kPa；

记录下不同加速度、温度和压力下的流量，成立流量数据库，试验件的流量为三元函数：

4 机载加速度对管内流动测量的影响

4.1 模型的建立[3]

本文采用Ansys Workbench 15.0绘制三维90°弯管模型，为避免入口端效应的影响，弯管长径比大于30。本文考虑理想化的状态，该弯管模型不设置壁厚。

三维弯管绘制完毕后，采用ICEM CFD 15.0进行网格划分，选择Ostree算法，网格类型选择六面体为主的网格，进出口端面以划分O-grid块处理，同时对流动边界层进行加密处理。网格划分完毕，检查网格质量，要求Determinant大于0.2，Angle大于18°，skewness不超过0.7。

模型建立完畢，选择Fluent为求解器，选择转化为非结构化网格（进行Pre-Mesh/Convert to Unstruct Mesh操作），输出Mesh文件。

4.2 运算设置[4]

将Mesh文件导入Ansys Fluent 15.0，经check无error后，对弯管模型进行参数设置。

①Model模型选择k-ε湍流模型（进行Viscous/k-epsilon操作），湍流模型选择RNG k-ε模型。

大学，1995，（28）：4-5.

[2]孔珑.工程流体力学[Z].中国电力出版社，2013：93-94.

[3]李鹏飞、徐敏义.精通CFD工程仿真与案例实战[Z].北京：人民邮电出版社，2011：74-113.

[4]温良英.弯管内流体流动的模拟计算与实验研究[D].重庆：重庆大学，2005，（26）：1.

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