基于AMEsim的機載冷凝器換熱性能數(shù)值模擬

張永宏，劉宸旭

(1.重慶安全技術(shù)職業(yè)學院， 重慶 404000； 2.山東大學 計算機科學與技術(shù)學院， 山東 青島 266237)

隨著多任務飛行器的快速發(fā)展，其系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的無效熱載荷呈指數(shù)式上漲，直接影響到座艙、設(shè)備艙等重要艙室的環(huán)境穩(wěn)定性，因此，對機載制冷系統(tǒng)的冷卻需求[1-5]不斷提高。目前，裝載于多任務飛行器上的制冷系統(tǒng)多為蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，而冷凝器作為連接外界沖壓空氣與內(nèi)部閉環(huán)系統(tǒng)的媒介，起著熱量傳輸?shù)淖饔茫湫阅艿膬?yōu)劣直接影響到機載制冷系統(tǒng)的制冷效果。

機載冷凝器多為空-液熱交換器，即參與換熱的工質(zhì)為外界沖壓空氣與系統(tǒng)內(nèi)相變制冷劑[6]。目前，某型號飛行器機載冷凝器主體設(shè)計主要依靠試驗的方法，但是試驗具有所需周期長、費用高等缺點，應用軟件仿真輔助設(shè)計，可以達到縮短研發(fā)周期、降低研制成本的目的[7]。現(xiàn)階段的機載冷凝器制冷量較小，為5 kW左右，難以滿足日益增長的熱負荷。

本研究針對上述需求，首先，以某型號飛行器上的機載冷凝器為樣本，闡述換熱機理，建立高制冷量的機載冷凝器數(shù)值仿真模型并驗證其可靠性；然后，分析不同迎面風速下的換熱性能；最后，從實際工程應用的角度出發(fā)，分析極端工況下的機載冷凝器換熱性能，為機載冷凝器的設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

1 機載冷凝器換熱機理

為了分析機載冷凝器的換熱機理，對換熱模型進行了簡化處理，做出基本假設(shè)[8-10]：① 在扁管內(nèi)流動的制冷劑為一維流動狀態(tài)；② 在兩相區(qū)任一截面上，均相流模型的氣、液兩相壓力相等。依據(jù)三大定律，得到以下方程：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

動量守恒方程：

(3)

其中：ρ是制冷劑密度；u是制冷劑的流速；h是運動長度；t是時間變量；x是空間維度；P是壓力；fx是摩擦因數(shù)；θ是分離角；Ai是內(nèi)部的流通面積；q是熱流量。

制冷劑側(cè)的換熱量QR：

(4)

空氣側(cè)的換熱量Qair：

Qair=αairAaηa(Tair-Two)

(5)

環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑經(jīng)過壓縮機增壓后，以高壓高溫的氣體狀態(tài)進入冷凝器，通過冷凝器的壁面和翅片，與外界的沖壓空氣進行熱交換，在此過程中，制冷劑將熱量轉(zhuǎn)移給外部的沖壓空氣制冷劑的形態(tài)。制冷劑的形態(tài)，則從氣態(tài)變化到氣液兩相狀態(tài)，接著變化成液體，最后以液體的形態(tài)從冷凝器出口流出。

2 機載冷凝器數(shù)值仿真模型以及方法驗證

2.1 機載冷凝器數(shù)值仿真模型

機載冷凝器為平行流冷凝器，建立仿真模型，如圖1所示。機載冷凝器為熱媒4流程，冷媒單流程的叉流空-液換熱器，其中熱媒的流道比例為12∶9∶6:5。機載冷凝器芯體尺寸為525 mm×405 mm×12 mm，其中扁管高為2 mm，制冷側(cè)水力直徑為1.2 mm，每層扁管的流通面積為9 mm2；翅片高度為12 mm，翅片厚度為0.1 mm，翅片間距為1.2 mm；百葉窗的開窗角度為30°，百葉窗間距為1 mm，百葉窗長度為 4 mm。換熱介質(zhì)為沖壓空氣與R134a制冷劑。

2.2 數(shù)值方法的驗證

章節(jié)2.1節(jié)已經(jīng)提到機載冷凝器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，此機載冷凝器為某型號飛行器上的實際裝機產(chǎn)品，已經(jīng)進行過地面穩(wěn)態(tài)實驗，試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

依據(jù)表1所示的試驗工況，采用章節(jié)2.1所提到的數(shù)值方法進行建模仿真。圖2為冷凝器換熱量的試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對比圖。

圖2 冷凝器換熱量的試驗與仿真結(jié)果直方圖

由圖2可知，空氣風速為1 m/s時，試驗數(shù)據(jù)為1 050 W，仿真結(jié)果為1 000 W，兩者相差相對誤差為4.76%；空氣風速為3 m/s時，試驗數(shù)據(jù)為2 856 W，仿真結(jié)果為2 700 W，兩者相差5.46%。實際工程應用中，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)間的相對誤差不大于10%時，則認為計算模型可靠。因此，本研究所建立的的機載冷凝器仿真模型是可靠的。

3 計算分析

3.1 影響因素

機載環(huán)控系統(tǒng)中，冷凝器擔當著將熱量傳遞到外界沖壓空氣的作用，冷凝溫度以及冷凝壓力的高低決定著環(huán)控系統(tǒng)的換熱量，而在實際工程應用中影響冷凝溫度以及冷凝壓力的因素主要有空氣側(cè)溫度、空氣側(cè)壓力、空氣側(cè)相對濕度、空氣側(cè)質(zhì)量流量、制冷劑側(cè)溫度、制冷劑側(cè)壓力、制冷劑側(cè)質(zhì)量流量等。

在機載冷凝器尺寸結(jié)構(gòu)一定的情況下，分別考慮空氣側(cè)和制冷側(cè)的相關(guān)參數(shù)對換熱器性能的影響，結(jié)合實際工程經(jīng)驗從中選擇具有代表性的因素進行分析，得到的影響因素組合如表2所示，結(jié)合仿真的手段對影響因素進行分析。

表2 仿真工況影響因素

依據(jù)表2，分析影響機載冷凝器換熱性能的參數(shù)，4種工況的仿真因變量分別為：空氣側(cè)溫度TA與制冷劑側(cè)溫度TR、空氣側(cè)溫度TA與制冷劑側(cè)質(zhì)量流量dmR、空氣側(cè)質(zhì)量流量dmA與制冷劑側(cè)溫度TR、空氣側(cè)質(zhì)量流量dmA與制冷劑側(cè)質(zhì)量流量dmR。

3.2 仿真邊界條件

依據(jù)3.1節(jié)內(nèi)得到的4種工況，進行仿真，仿真邊界條件如表3所示，其中符號代表仿真因變量。

表3 仿真邊界條件

3.3 結(jié)果分析

采用空氣側(cè)溫度TA與制冷劑溫度TR為因變量，仿真結(jié)果如下：

圖3為表2中工況1的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

由圖3(a)可知，當TA固定為40 ℃，以5 ℃為增加量，將TR從55 ℃增加到75 ℃，機載冷凝器的換熱量分別為2 624 W、2 707 W、2 790 W、2 872 W、2 842 W。隨著TR的增高，換熱量增加，當增加到一個臨近溫度時，換熱量呈下降趨勢。這是由于，TR的提高，使得冷凝器轉(zhuǎn)移到外界沖壓空氣的熱量得到相應的提高，但是冷凝器的換熱量是有上限，當換熱量超過上限，機載冷凝器的換熱量呈下降趨勢。

圖3 工況1仿真曲線

由圖3(b)可知，當TR固定為60 ℃，以5 ℃為增加量，將TA從20 ℃增加到40 ℃，換熱量分別為5 002 W、4 804 W、4 559 W、3 845 W、2 707 W，機載冷凝器的換熱量依次降低。這是由于，TA的提高，使得冷凝器的換熱性能降低，導致冷凝器的換熱量降低。

比較圖3(a)和圖3(b)可知，以5 ℃為增加量，當TR固定時，冷凝器換熱量的變化率較大。相比于TR，TA這一參數(shù)影響較大，且溫度越低，冷凝器換熱效果越好。

采用空氣側(cè)溫度TA與制冷劑側(cè)質(zhì)量流量dmR為因變量，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4為工況2的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

由圖4(a)可知，當TA固定為40 ℃，以0.003 kg/s為增加量，將dmR從0.018 kg/s增加到0.03 kg/s，機載冷凝器的換熱量分別為2 203 W、2 451 W、2 709 W、2 972 W、3 250 W。隨著dmR的增高，換熱量增加。這是由于，dmR的提高，使得單位時間內(nèi)冷凝器轉(zhuǎn)移到外界沖壓空氣的熱量得到相應的提高，由于仿真條件的限值，未觀察到換熱量臨界點。

由圖4(b)可知，當dmR固定為0.024 kg/s，以5 ℃為增加量，將TA從20 ℃增加到40 ℃，換熱量分別為4 992 W、4 800 W、4 559 W、 3 845 W、2 707 W，機載冷凝器的換熱量依次降低。

比較圖4(a)和圖4(b)可知，相比于dmR，TA這一參數(shù)影響較大，且溫度越低，冷凝器的換熱效果越好。

圖4 工況2仿真曲線

采用空氣側(cè)質(zhì)量流量dmA與制冷劑側(cè)溫度TR為因變量，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5為工況3的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

由圖5(a)可知，當TR固定為60 ℃，隨著dmA的增加，機載冷凝器的換熱量變化量不明顯。這是由于，TR固定為60 ℃時，沖壓空氣與機載冷凝器的換熱量已經(jīng)達到臨界值，因此換熱量趨于穩(wěn)定。

由圖5(b)可知，當dmA為0.55 kg/s時，以5 ℃為增加量，將TR從55 ℃增加到75 ℃，換熱量分別為2 628 W、2 712 W、2 794 W、2 876 W、2 863 W，隨著TR的增加，機載冷凝器的換熱量依次增加，變化幅度較小。

比較圖5(a)和圖5(b)可知，TR固定不變的情況下，dmA對機載冷凝器的換熱效果影響可以忽略不計；dmA固定不變的情況下，TR對機載冷凝器的換熱效果影響較小。

圖5 工況3仿真曲線

采用空氣側(cè)質(zhì)量流量dmA與制冷劑側(cè)質(zhì)量流量dmR為因變量，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 工況4仿真曲線

圖6為工況4的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

由圖6(a)可知，當dmA固定為0.55 kg/s，以0.003 kg/s為增加量，將dmR從0.018 kg/s增加到0.03 kg/s，機載冷凝器的換熱量分別為2 201 W、2 450 W、2 709 W、2 976 W、3 250 W。隨著dmR的增加，機載冷凝器的換熱量依次增加，且變化幅度較小。

由圖6(b)可知，dmR達到0.024 kg/s時，隨著dmA的增加，機載冷凝器的換熱量增加量趨于穩(wěn)定值。

由圖6可知，當dmA固定不變時，dmR對機載冷凝器的換熱效果影響較小；當dmR固定不變時，dmA對機載冷凝器的換熱效果影響可以忽略不計。

4 極端條件下的換熱性能

考慮某型號飛行器的機載冷凝器在極端條件下的換熱性能，由于極熱天條件下，某型號飛行器處于地面啟動階段時，外界空氣溫度最高可達到40 ℃，因此，認為地面啟動狀態(tài)為極端工況。表4為極熱天地面啟動條件這一極端仿真工況。

表4 仿真工況影響因素

依據(jù)表4的仿真工況，采用章節(jié)2.1節(jié)所提到的數(shù)值仿真模型。空氣風速為3 m/s時，仿真結(jié)果為10 kW，空氣風速為5 m/s時，仿真結(jié)果為12 kW。

目前，實際工程應用中的機載熱負荷一般處于5～8 kW之間，而本研究所設(shè)計的機載冷凝器，在極端工況下的制冷量最高可達到12 kW，提高了機載冷凝器的熱承載能力，為機載冷凝器的設(shè)計提供了一定的參考。

5 結(jié)論

1) 相比于其余3種因素，空氣側(cè)入口溫度對機載冷凝器的換熱性能影響最大。

2) 某些工況下，空氣側(cè)入口質(zhì)量流量對機載冷凝器換熱性能的影響忽略不計。

3) 極端工況下的制冷量最高可達到12 kW，提高了現(xiàn)有機載冷凝器的熱承載能力。