飞机热管理与座舱热舒适性研究

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%。