机载液冷系统仿真研究与管路设计

随着航空事业的不断发展,机载电子设备的数量和功率不断增加,同时电子设备集成化导致其热流密度越来越高。空气循环冷却系统已难以单独满足航电系统的要求,液体冷却系统凭借其较高的冷却效率得到广泛应用,同时机载燃油以其高比热和高储量的优点成为系统的热沉的重要组成。此外,机载电子设备的结构形式由集中式逐渐向分布式过渡,由此带来的多支路的流量分配问题成为液冷系统设计中的重要问题。本文以机载液体冷却系统和燃油系统为研究对象,主要围绕以下内容开展工作:(1)在MATLAB/Simulink仿真平台上建立了液冷系统常用部件及工质的仿真模型。对工质的物性参数分析后选择65号冷却液作为液冷系统的工质,同时对各部件特性分析后进行了选型设计。(2)基于MATLAB/Simulink仿真平台,搭建了燃油系统的仿真模型,对典型飞机热设计条件下各油箱的温度变化规律进行了分析,同时计算了飞行高度、飞行速度、太阳辐射强度、液冷系统热载荷对主供油箱燃油温度的变化情况的影响。结果表明飞行高度越高,燃油温度越低;飞行速度越高,燃油温度越高;太阳辐射强度的增大或液冷系统热载荷的增加均会导致燃油温度的升高。(3)使用计算流体力学的方法对流量分配中使用的限流环进行了数值仿真,对限流环孔径比和厚度、冷却液流量对限流环阻力特性的影响进行了研究。结果表明限流环的阻力系数随着限流环的孔径比增加而减小,随着限流环的厚度的增加而减小;限流环的阻力损失随着冷却液流量的增加而增加。(4)在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了液冷系统与燃油系统的耦合仿真模型。通过耦合模型的动态仿真得到了不同工况下系统的流动特性和传热特性。同时分析了系统布局、飞行高度以及飞行马赫数对系统的影响。计算结果表明:在不同的工况条件下各支路流量按照电子设备热负荷进行分配;新布局可以延迟电子设备过热出现的时间点;对于给定的飞行状态和工作状态,可以通过改变系统布局有效降低系统温度;对于相同工作状态,飞行高度的降低和飞行马赫数增大均会导致系统温度的上升。