燃油溫差造成的油量測量精度誤差研究

滕葉 李澤園 黎明中

中航通飛華南飛機工業有限公司 廣東 珠海 519040

引言

當飛機在遠程飛行后返回時，任何的剩余燃油通常比較冷，且主要位于集油箱及外隔艙的下部，為了完成后繼飛行航段而加入的燃油是通常是相對溫暖的，這些加入的溫暖燃油將位于集油箱外部或較冷燃油的上部。在短暫的加油時間內，不同隔艙間、同一隔艙間上部與下部的燃油換熱不夠充分，溫差比較大。而燃油的密度及介電常數屬性是與溫度密切相關的，這些差異會引起油量測量系統誤差，造成飛機加油量不準確，任務早期階段油量測量不準確等。

在飛機燃油測量方法中，最廣泛地用于提供精確測量的方法是利用電容式測量技術。由于電容式傳感器相對簡單，且在相對惡劣的燃油箱環境中能夠呈現出良好兼容性和長壽命，所以工業界普遍接受這種測量方法作為精確測量燃油量的手段[1]。

1 電容式油量測量系統測量精度

電容式測量的基本原理為利用空氣與燃油在介電常數特性方面存在的差異進行測量。使用兩個同心電極管構成電容器，當電容器浸在油內的高度發生變化時，電容值發生變化，由此可得到浸油高度，計算出油箱內燃油體積，并乘以通過直接測量或推算得到的密度值，最終計算出燃油質量。

當燃油溫度變化時，采用補償傳感器對介電常數進行補償，得到較準確的燃油體積。當燃油品質變化時，通過密度傳感器，可得到較準確的密度。或通過密度推算法，使用溫度或補償傳感器，通過溫度或介電常數與密度的關系，推算燃油密度，準確度有限。

1.1 Ⅰ級精度油量測量系統

誤差要求為不大于±4%指示燃油量±2%滿油量。無補償設計。代表飛機為小型飛機。

1.2 Ⅱ級精度油量測量系統

誤差要求為不大于±2%指示燃油量±0.75%滿油量。系統設計特征：采用密度推斷法，由燃油的介電常數或溫度推斷，使用一個專用傳感器測量介電常數或溫度，其設計安裝位置接近燃油箱的底部，以確保其持續完全浸在油內，通常不能測出任何的燃油層化影響，對水污染較敏感。代表飛機為支線運輸機。

1.3 Ⅲ級精度油量測量系統

誤差要求為不大于±1%指示燃油量±0.5%滿油量。系統設計特征[2]：使用燃油屬性測量裝置FPMU，對加油時所加入燃油的介電常數、溫度以及密度進行測量。然后將燃油參數映射到分布在所有燃油箱內的介電常數傳感器（補償傳感器）和溫度傳感器，以提供整架飛機的較為完整和精確的燃油密度圖。代表飛機為干線運輸機。

2 模擬飛機加油

使用CFD軟件模擬飛機地面加油時的燃油大溫差現象，計算從加油開始到加油結束時的油箱內燃油的溫度場變化。

飛機地面加油時，油箱內燃油量不斷增多，同時溫度場隨時間變化，為非穩態問題。由于運輸機機翼油箱通常為整體油箱，油箱內換熱主要為封閉腔內的新加入的燃油與油箱壁之間及原剩余燃油之間的換熱[3]。油箱外表面機翼蒙皮外表面與周圍環境間存在自然對流換熱，由于換熱面積比較大，計算時不能忽略油箱外環境換熱。通常加油出口速度較小（＜1m/s），油箱容積較大，新加燃油與油箱壁之間的強制對流作用較弱，研究發現在存在自然對流換熱的封閉腔內，對流換熱要弱于輻射換熱的作用，也就是說輻射是影響封閉腔系統換熱的更重要的因素計算誤差。

2.1 計算模型

對于涉及氣體和液體的兩相流計算，不考慮燃油蒸發時，燃油擴散器內氣相和液相不存在相融的現象，分界面明顯，可采用VOF模型；加油時燃油出口處流動為湍流，但燃油在油箱隔艙間的流動主要為層流，計算時采用層流模型；油箱內輻射換熱采用輻射模型。

由于季節、天氣、加油時在一天中的時刻以及飛機停放的方位對油箱表面實際能接收到的太陽輻射有較大影響，同時加油時間不長，小于30min，故計算時不考慮太陽輻射對油箱溫度的影響。

油箱加油入口通常為笛形管或燃油擴散器，計算時簡化為圓形入口。

2.2 幾何模型

以運輸類飛機常見油箱構型作為計算對象進行研究，取飛機單個油箱進行計算，油箱通過半密封的結構肋板分為集油箱、外部隔艙及通氣油箱。外部隔艙中通常還有非密封的結構肋板。油箱加油口位于外部隔艙底部[4]。為簡化計算，在不影響油箱表面換熱面積和燃油內部流通的情況下對油箱幾何模型做了一定簡化和調整。

機翼蒙皮、肋板等油箱結構所涂的漆層導熱系數與結構金屬導熱系數差異很大，不可忽略。

2.3 網格劃分

油箱結構為固體域，采用薄體網格模型。油箱內及油箱外環境為流體域，采用切割體網格模型。結構及加油口附近進行加密處理，油箱網格模型見圖1。網格總數約150萬。

圖1 油箱網格劃分

2.4 仿真計算

在完成一次任務飛行后，飛機上燃油剩余量為一次爬升、一次復飛加上45min巡航油量，再加上備份油量，可認為任務結束后集油箱仍處于滿油狀態，外隔艙為少量有油狀態。

設置剩余燃油溫度為-30℃，油箱結構為-30℃，新加入燃油為15℃，外部環境為0℃，外部風速0.1 m/s，加油入口速度為0.5m/s。固體域與流體域之間交界面設置接觸熱阻。

飛機總壓力加油時間在15～40min之間，取加油時間為15min進行計算。

非穩態計算步長為0.05s，總時長為900s。

2.5 計算結果分析

圖2 初始時刻油箱油量分布（t=0s）

圖3 加油結束時刻油箱油量分布（t=900s）

圖4 初始時刻油箱溫度場（t=0s）

圖5 加油結束時刻油箱溫度場（t=900s）

從計算結果可看出，在加油結束時，集油箱內燃油溫度變化較小，與外部隔艙間的燃油溫度差異較大。

當直接測量新加入燃油的介電常數、溫度以及密度，然后將燃油參數映射到分布在所有燃油箱內的補償傳感器和溫度傳感器時，誤差大小與傳感器所在位置相關，見表1。

表1 Ⅲ級精度油量測量誤差計算

當采用密度推斷法解算油量時，誤差見表2。

表2 Ⅱ級精度油量測量誤差計算

當不使用補償設計時，Ⅰ級精度油量測量系統測得油箱油量為3379.6kg，實際油量為3496kg，誤差達到3.3%。

通過仿真分析結果可得到以下結論：①燃油存在大溫差對不同精度等級的油量測量系統誤差影響均比較大，誤差占比可達到系統誤差上限的50%左右；②對于Ⅲ級精度油量測量系統，補償/溫度傳感器的位置應遠離加油口所在的隔艙。

3 結束語

本文以常見運輸機油箱為例，對預期的運行條件下可能產生的燃油溫差造成的油量測量精度誤差進行了分析計算，為油量測量系統的設計提供了理論依據和參考。