淺析飛機地面空調車風量測控系統數學建模及工程實施

陳曉佳

（成都成設航空科技股份公司，四川 成都 610091）

飛機地面空調車（以下簡稱空調車）是一種用于在飛機著陸后或起飛前，飛機發動機處于停機狀態下，代替飛機環控系統向飛機機載電子設備艙、座艙提供符合要求的新風工作環境，以保證機載電子設備在規定條件下，其全壽命期內穩定可靠工作的飛機地面保障設備。空調車運行過程中，如何準確、安全、可靠的測控風量，成為衡量空調車能否適用于不同型號飛機的重要功能參數之一。

1 供風、送風系統構成

空調車工作時，外部空氣經過濾網，依次通過“一級蒸發器”（10）、供風管道（11）進入高壓風機（14），經過“二級蒸發器”（15）、“三級蒸發器”（16）調溫、除濕處理，由送風管道（17）送入飛機座艙及電子艙。圖中（12）和（13）分別為前后端壓力、溫度測樣點（圖1）。

圖1 供、送風系統

2 數學建模

2.1 流量換算

忽略系統中氣流的微量泄漏等因素，基于流體動力學能量守恒原理，常溫常壓下通風管道內氣體流動應遵循伯努利方程式：

其中，P 為靜壓力，ρ 為流體密度，v 為流體流速，z為鉛垂高度，C 為常數。

根據質量守恒原理，在同一時刻內供、送風管道通過的氣體質量相等：

其中，Qm為氣體質量流量，Qv為氣體體積流量，ρ 為氣體密度，A 為管道有效橫截面積。

由此，得出標準狀態下的體積流量關系式為：

其質量流量關系式為：

其中，

上述兩式中，Qmn為氣體質量流量，Qvn為氣體體積流量，ΔPn為采樣點管壁差壓，ρn為氣體密度。A1、A2為采樣點管壁有效橫截面積。

2.2 溫壓補償

供風管道前后采樣點之間間隔一級蒸發器，氣體密度受溫度變化影響較大，根據氣態方程：

其中，p 為絕對壓力，V 為體積，Z 為壓縮系數，n 為物質的量，R 為普適氣體常量，T 為絕對溫度，μ 為分子量，C′為常數。

由此得出，前后采樣點不同溫度、壓力狀態下氣體的密度關系式：

其中，ρ1、ρ2為氣體密度，T1、T2為氣體熱力學溫度，P1、P2為絕對壓力，Z1、Z2為氣體壓縮系數，在同段供風管道內可看作近似相等。

由此，可得出供風管道質量流量的補償修正公式：

其中，ρn為氣體密度，Tn氣體熱力學溫度，pn為氣體絕對壓力，p1為絕對壓力，T1為氣體熱力學溫度，K′為不同溫度、壓力狀態下氣體的密度比。

3 風量測控系統架構

風量測控系統以PLC 為測控核心單元。壓力、溫度信號經變送器輸出4 ～20mA 標準電流信號至PLC，并根據其變化值實時調整變頻器輸出頻率，實現微調高壓風機轉速，達到恒定輸出風量的目的（圖2）。

圖2 風量測控系統架構

4 工程實現

4.1 采樣點

考慮到氣體沿直段管道流動相對穩定的因素，選定在靠近一級蒸發器出、入口的A1、A2 點安裝測試器材。

4.2 采樣跟蹤

圖3 風量測試連接示意圖

根據公式（8），編寫PLC 運算程序并進行實時采樣跟蹤，對不同轉速下的風量進行采樣記錄（圖4）。實測風量誤差可控制在設定值的±3%范圍內。

5 結語

采用測量管道內壁相對氣壓差，進行溫壓補償得出氣體質量流量的方式，能夠解決空調車對風量測控的需求。該風量測控系統經過長時間的穩定運行，證明可以較好地應用于飛機空調車智能測控系統上。

圖4 流量曲線對比