大型客機輔助冷卻系統穩態仿真模型

吳靜瑋 孫浩然 胡海濤 李革萍 吳成云 呂中原 /

(1. 上海交通大學，上海 200240； 2. 上海飛機設計研究院，上海，201210)

大型客機輔助冷卻系統穩態仿真模型

吳靜瑋1孫浩然1胡海濤1李革萍2吳成云2呂中原2/

(1. 上海交通大學，上海 200240； 2. 上海飛機設計研究院，上海，201210)

為指導大型客機輔助冷卻系統的設計，針對機載蒸發循環和液體冷卻循環相結合的輔助冷卻系統，開發了系統穩態仿真模型。建立了適用于系統仿真的壓縮機、換熱器、電子膨脹閥等部件模型；對系統各單元之間的相互關系進行分析與解耦，建立了適用的系統求解算法。對系統性能隨制冷劑充注量的變化趨勢進行了預測分析，分析結果表明，輔助冷卻系統穩態仿真模型對系統性能變化趨勢的預測符合理論分析結果，模型可靠。

大型客機；輔助冷卻系統；穩態仿真；模型

0 引言

輔助冷卻系統是為客機電子設備、餐車廚房等用冷單元提供冷量的系統，是民用客機商務運行的關鍵。隨著客機性能的不斷提升及電子元器件集成化的迅速發展，機載電子設備及用冷單元不斷增多、功率越來越大的同時體積卻不斷縮小，導致熱載荷急劇上升，控溫需求日益提升，使得輔助冷卻系統的設計更為重要[1-3]。

對于大型客機的輔助冷卻系統，隨著多電化的發展，機載電子設備散熱量急劇增大，且熱流密度不斷升高，風冷形式已經無法滿足設備的冷卻需求[4]。目前國外先進的機載輔助冷卻系統較多采用液體冷卻系統和蒸發循環系統相結合的方式進行冷卻降溫，例如，美國的F-22采用機載蒸發循環和液體冷卻系統相結合的一體化綜合能量管理系統(ECS/TMS)[5-9]，A-50、E-3C和SU-27等也都采用了液冷系統。主要原因是液體的換熱系數和比熱均比空氣大[3]，具有較高的冷卻效率和穩定工作特性。對于蒸發循環和液體冷卻循環組成的輔助冷卻系統，一般由冷量產生單元、冷量運輸單元和用冷單元三部分組成，用冷單元通過冷卻液進行冷量輸運，其組成與原理如圖1所示。

Upadhya等人[10]對應用于高熱流密度電子設備的液體冷卻系統進行了實驗研究，結果表明該系統具有冷卻效率高、噪聲小且造價低等優點；朱春玲和寧獻文[3]在提出的新型飛機液冷環控系統基礎上，通過實驗確定了冷板換熱器的Q-p性能曲線和流量分配實驗中限流環的尺寸。由于大型客機的輔助冷卻系統內部結構復雜，采用傳統的實驗方法費時費力，難以滿足大型客機輔助冷卻系統的設計需求，計算機仿真技術已成為系統設計的主要方法[11]。

采用計算機仿真技術設計大型客機的輔助冷卻系統的關鍵是開發能夠預測系統穩態運行性能的仿真模型。Chang J Y等人[12]通過數值仿真技術，分析了微通道液冷系統中不同類型泵、流量等對電子設備溫度分布的影響；Tybrandt[13]研究了液冷系統中不同控制參數對系統性能的影響；南國鵬和王浚[14]在流程圖的基礎上對定工況液冷系統采用動態仿真，并對比實測數據驗證了仿真模型的可靠性。目前的計算機仿真大多以液冷系統和部件建模為主，還沒有針對大型客機輔助冷卻系統建立穩態仿真模型。

本文將針對典型大型客機輔助冷卻系統建立穩態仿真模型，并對模型的可靠性進行驗證。

1 部件數學模型

建模對象為圖1所示系統中的各單元主要部件，冷量產生單元包含壓縮機、電子膨脹閥和換熱器，其中換熱器類型主要為板翅式換熱器。

1.1 壓縮機模型

對于大型客機輔助冷卻系統仿真用的壓縮機模型，主要是要建立壓縮機的流量與功率、蒸發器和冷凝器的關系，以及計算出其他影響裝置性能的參數，如排氣溫度、溶解制冷劑質量等[15]。

壓縮機內制冷劑流量的計算模型[16]見式(1)：

壓縮機功率的計算模型[15][17]見式(2)、式(3)：

式中，c為電機的摩擦功率，單位為W；d為指示效率；n為多變指數；角標th代表理論值。

將壓縮機看成僅有一個單結點集中溫度Tcom，由能量方程：

式中，Q1為壓縮機殼體與近殼體環境Tar之間的換熱，Q2為內部生成熱；Dh為壓縮機的當量球體直徑；α1為壓縮機殼體與近殼體環境的換熱系數；ε為壓縮機殼體的黑度；玻爾茲曼常數σ=5.67×10-8；下標in、out分別指壓縮機機殼的進出口狀態。

排氣溫度：

壓縮機內的制冷劑分布在冷凍油中、儲液器內和殼體空腔內，制冷劑質量的計算見式(8)：

式中，mr為壓縮機內的制冷劑總質量；mr_oil為溶解在冷凍油中的制冷劑質量，由式(9)計算；mr_shell為殼體空腔中的制冷劑質量，由式(10)計算；mr_accum為儲液器中的制冷劑質量，由式(11)計算。

式中，s為冷凍油中的制冷劑溶解度[18]；Tcom為壓縮機殼體溫度；Pc為冷凝壓力；Vshell為殼體空腔容積；Vaccum為儲液器內容積；vin為進口制冷劑比體積；vout為出口制冷劑比體積。

1.2 換熱器模型

對于大型客機輔助冷卻系統仿真用的板翅式換熱器模型，主要是要建立制冷劑與冷卻液、空氣側的關系，以及計算出其他影響系統性能的參數，如制冷劑出口溫度、制冷劑充注量、空氣出口溫度、換熱量等。

冷卻液側控制方程：

制冷劑側控制方程：

能量平衡方程：

制冷劑質量計算公式如下：

式中，L為相區長度；ρ為制冷劑密度；A為相區橫截面積。

1.3 電子膨脹閥模型

對于大型客機輔助冷卻系統仿真用的電子膨脹閥模型，主要是要建立其與冷凝器和蒸發器的關系，以及計算出其他影響系統性能的參數，如制冷劑流量、制冷劑出口狀態等。

由于電子膨脹閥與外部環境的換熱面積極小、且其內部沒有能量傳遞，因此可將系統中的電子膨脹閥看做絕熱元件，即制冷劑的節流過程為等焓節流過程：

流量特性可以采用經典水力公式來計算：

2 系統求解算法

2.1 冷量產生單元求解算法

對于冷量產生單元的求解，本文采用基于質量引導的的解耦求解算法[19]，如圖2所示。具體步驟如下所述。

1)假定各部件中的制冷劑質量，假定冷凝壓力Pc、蒸發壓力Pe；

2)計算此工況下的電子膨脹閥流量；

3)計算冷凝器中含有的制冷劑質量；

4)判斷冷凝器中制冷劑質量的計算值是否等于假定值，若是，則轉入步驟5)，否則，調整Pc，轉入步驟3)；

5)計算蒸發器中含有的制冷劑質量；

6)計算壓縮機中含有的制冷劑質量；

7)判斷蒸發器和壓縮機中制冷劑質量的計算值是否等于假定值，若是，則轉入步驟8)，否則，調整Pe，轉入步驟5)；

8)判斷壓縮機質量流量是否等于電子膨脹閥質量流量，若是，則轉入步驟9)，否則，調整各部件中的制冷劑質量，轉入步驟2)；

10)判斷系統過熱度的計算值是否等于設定值，若是，輸出結果，否則，調整電子膨脹閥開度，重復步驟2)～10)。

2.2 機載輔助冷卻系統求解算法

輔助冷卻系統中冷量產生單元與用冷單元兩部分互相耦合，系統模型需要建立各部分之間的關系，通過解耦計算求得系統的性能。仿真流程如圖3所示，具體步驟如下：

1)假定用冷單元冷卻液出口溫度Tout；

3 模型可靠性驗證

本文采用已有的輔助冷卻系統的部件實驗數據對部件模型進行精度驗證，壓縮機和電子膨脹閥模型質量流量的計算值與實驗數據對比如圖3所示。

從圖3中可以看出，關鍵部件模型質量流量的仿真最大誤差和平均誤差皆在5%以內，模型精度良好。

由于缺乏大型客機輔助冷卻系統的實驗數據，本文采用趨勢合理性分析對模型可靠性進行驗證。

系統能耗隨制冷劑充注量的變化曲線如圖4(a)所示。從圖中可以看出，系統能耗隨著制冷劑充注量的增加而一直升高。這是由于制冷劑充注量的增加將使冷凝壓力升高且制冷劑質量流量增加，從而導致壓縮機的能耗增加，系統能耗隨之增加。

系統能效EER隨制冷劑充注量的變化曲線分別如圖4(b)所示。從圖中可以看出，系統能效隨著制冷劑充注量的增加而先增加后減小。這是由于系統存在最優充注量，當偏離最優充注量時，系統能效會降低，故呈現先增加后減小的趨勢。

從圖3中可以看出，模型對于系統能耗和能效EER的計算趨勢符合理論分析結果，模型可靠。

4 結論

1)本文建立了大型客機輔助冷卻系統的部件仿真模型及系統求解算法，能夠預測系統穩態運行性能；

2)本文模型對于客機輔助冷卻系統性能變化趨勢的預測符合理論分析結果，模型可靠。

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A Steady-state Simulation Model of Auxiliary Cooling System for Airliner

WU Jingwei1SUN Haoran1HU Haitao1LI Geping2WU Chengyun2Lü Zhongyuan2

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

In order to guide the design of the auxiliary cooling system, a steady-state simulation model of the auxiliary cooling system forairlinerconsisting of airborne vapor cycle and liquid coolingcylce was developed.The component model of compressor, heat exchanger and electronic expansion valve suitable for system simulation was established; the relationships among the the units of the system were analyzed and decoupled, and an appropriate system solving algorithm is established among. The performance of the system with the variation of refrigerant change was predicted and analyzed. The analysis results show that the prediction of the auxiliary coolingsystem performance accords with the theoretical analysis results by the steady-state simulation model of the auxiliary cooling system,and the model is reliable.

airliner; auxiliary cooling system; steady-state simulation; model

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.011

胡海濤男，博士，副教授、博導。主要研究方向：制冷系統仿真、相變流動與強化傳熱。Tel:021-34207062,E-mail: huhaitao2001@sjtu.edu.cn

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