飞机热管理与座舱热舒适性研究

发布时间：2020-05-20 05:26

【摘要】：开展飞机热管理和座舱热舒适性研究,有助于解决飞机返航热沉不足问题,改善飞行员的热舒适性,提高热管理系统性能。本文采用数值方法对飞机的热管理和驾驶舱人员热舒适性进行研究,分析了气动热、座舱热舒适性、新型空气热沉获取技术等问题,并实现了热管理系统的多目标优化。论文的主要工作如下:(1)为了更精确的解决飞机座舱和机翼油箱热负荷问题,采用RANS和SAS方法对其进行研究。结果表明,机身表面的气动热温度呈非均匀分布,且在飞机座舱盖位置出现局部高温,这与绕过飞机座舱的气流出现先压缩后膨胀的现象有关。飞机机翼表面的气动热分布较为平均,仅在后缘附近的温度略有升高,这与后缘处存在涡脱落现象有关。(2)采用理论分析与数值仿真相结合的方法,针对飞机座舱的热舒适性进行研究。建立适用于飞机驾驶舱高太阳辐射、天空辐射等特殊热环境的人员热舒适性的评价指标PMV_F,并应用于飞机座舱的热舒适性评价中。研究表明,当飞机的飞行高度较高时,人体的热舒适性越好;当飞行马赫数越小时,人体的热舒适性也越好。此外,当飞行马赫数达到2时,无论高低空飞行,人体头部和肩部的PMV_F指标均不能满足热舒适性要求。(3)为解决飞机热舒适性及热沉不足问题,开展冲压引射技术和环形散热器技术及其相关机理的研究。结果表明,在亚音速飞行工况下,冲压空气引气量增量最大可达58.5%,冲压引射技术有利于提高进气道内的动量输运,增加引气量;在超音速飞行工况下,冲压引气量会出现负增长,这与此时冲压引射抑制进气道内的动量输运有关。环形散热器中的主流体侧为发动机进气道,故对流换热Nu数变化不大;二冷流体侧的对流换热Nu数则受构型的影响较大,这与二冷流体侧的流体运动方式有关。在二冷流体侧,构型的变化可以改变壁面附近的涡运动,进而影响强迫对流换热。构型优化结果表明,半圆形二冷流体通道的环形散热器换热效果优于长方形通道,最大可提升39%左右。(4)对飞机热管理系统进行研究,并以热舒适性为优化目标之一实现了系统的多目标优化。研究表明,长时间巡航(45分钟以上)会使燃油热沉温度超标(超过40℃),增加空气热沉可以使燃油温度控制在安全范围内。通过对燃油代偿、座舱热舒适性等的多目标优化,发现当发动机引气量为0.22 kg/s、冲压空气量为0.20 kg/s、初级换热器效率为0.85、次级换热器效率为0.9时,系统性能最优,其中次级换热器效率对系统性能的影响最大。以空调子系统为例的热管理系统故障分析表明,在涡轮等部件增加测点的方法可以使系统的故障检测率从91.4%提高到100%,使系统的故障隔离率从32.9%提高到83.9%。
【图文】：

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究背景和现状着现代航空航天技术的发展，特别是军事领域航空技术的快速更迭，新一代飞机来战场中的优势，必须装备大量先进电子设备。同时隐身的要求，对飞机机载设机热管理系统提出了严峻的挑战。由于新一代飞机的机载电子设备不仅需要承担舱参数显示、飞行状态控制、飞行导航等传统的基本任务，还需要进行电子对抗电子战任务，因此机载电子设备无论是在数量还是在发热功率上都比之前大大增以及热流密度也远超过以前的飞机。例如作为第四代战斗机典型代表的美国 F-2，其设有两个电子设备舱，总设计热载荷达到了 55kW。同时，新一代战斗机对等方面的要求，制约了冲压空气制冷系统的制冷能力。此外，复合材料蒙皮、高高度嵌入的飞行器系统将使得飞机散热更加困难，加剧了热管理方面的技术挑战寻新的热沉或新型的热沉获技术，从整机的角度对飞机热系统进行综合热管理就。了解决下一代战斗机的热管理需求，美国空军先后实施了“飞行器能量综ENT）计划、“综合推进、动力与热管理技术”等多项计划，并在 2016 年启动了、电力与控制”（NGT-PAC）的科研计划。

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飞机热管理与座舱热舒适性研究作为冷源具有一定的局限性。因为受到新一代飞机影身要求的限制量都受到制约，从而限制了飞机冲压空气的进气量降，是的飞机空降低。另外，在新一代飞机进行超音速巡航(以马赫数 Ma=1.2-1.6 ，其引入的冲压空气温度也会有所提高，从而大大降低冲压空气作为增加飞机的阻力代偿。为此，，俄罗斯曾采用发动机外涵道换热技术法虽然改善了空气热沉的制冷能力，但却增加了发动机外涵道的阻修。对于以往的机载制冷方法，环控系统、燃油系统、液压系统、热量交叉较少，各系统之间不能进行能量的流动，从而使得热量不战斗机设计研究中，为了能够满足新一代飞机隐身性、机动性、超面的高性能要求，必须采用新的热沉获取技术，将相关热系统进行合制冷，最终实现从飞机热管理的角度对飞机的热量进行分配与优
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V223

【参考文献】