高速飞行器机载综合热管理系统设计与优化

先进的高速飞行器面临着气动加热与大功率电子设备发热的双重热负荷,使得机载热沉与能量需求呈指数上升趋势,进而导致发动机性能下降、耗油量增加,严重制约着飞行器的功能和性能提升。机载热管理系统的优化设计,旨在提升系统制冷和供电性能的同时减小发动机性能损失。以Mach数Ma=1~4.4的大热负载高速飞行器为背景,针对三种机载综合热管理系统,开展适应飞行任务的系统优化设计,实现燃油热沉、外涵道引气热沉、冲压空气引气、发动机引气与飞行任务的最优匹配。研究过程采用等效质量方法,将各系统质量、能耗、气源消耗等成本统一等效为燃油代偿损失,并作为目标函数,对多种工况进行优化设计。研究结果表明:在Ma≤2时,采用外涵道空气热沉模式更为合适,但随飞行速度的进一步提高,其制冷循环压比显著上升制冷效率降低,燃油代偿损失急剧上升;基于燃油热沉的综合热管理模式更适用于Ma=2~4.5的飞行任务,其制冷循环功耗和能耗在各飞行工况下性能表现较为稳定,燃油代偿损失仅因飞行速度增大而增大;与发动机引气相比,冲压空气引气更适合Mach数较高的飞行任务规划。因此,对于巡航Ma≤2的飞行器,搭载“外涵道引气热沉+发动机引气”的机载综合热管理系统,发动机性能损失更低;对于巡航Ma=2~4.5的飞行器,搭载“燃油热沉+可切换发动机引气/冲压空气引气”的机载综合热管理系统,发动机性能最优。

机载综合热管理系统控制特性分析

以简化的机载综合热管理系统作为研究对象,对系统在不同控制模式下的变化特性进行分析,为系统控制方案的研究提供了理论依据。利用数学模型和计算机模型相结合的方法建立起一种以燃油为主要热沉,具有空气/燃油换热器、燃油/PAO(聚α烯烃)换热器等主要元器件的机载综合热管理系统整体模型,并提出一种模糊自整定的PID(比例⁃积分⁃微分)控制方法对燃油/PAO换热器和电子设备热变化等系统特性进行分析。结果表明:在热极限工况下,相对于开环控制,模糊自整定PID控制模式不仅能有效地控制燃油泵等一系列设备保持合适的转速,还可以保证电子舱及燃油/PAO换热器的出口温度保持在既定范围以内,进而满足机载综合热管理系统的设计要求。

纯电动汽车空调与电池综合热管理仿真研究

为了实现电动汽车动力电池热管理和车舱制冷,本文基于AMEsim软件搭建了纯电动汽车空调与电池综合热管理系统仿真模型,研究了压缩机转速、电子膨胀阀的开度对综合热管理系统性能的影响。结果表明:当压缩机转速由1000 r/min升至2800 r/min,电池温度下降9.8℃,车舱温度下降至8.8℃;随着电子膨胀阀1开度增大50%,电池温度升高11.5℃,车舱温度下降5℃;当电池的放电电流由40 A升高至65 A时,将压缩机转速由1250 r/min升至2700 r/min和电子膨胀阀的开度比从1.20升至3.89,可以使车舱温度保持在23℃,电池温度保持在35℃,从而实现电动汽车综合热管理系统的控制。

高速飞行器减阻降热研究进展

降低飞行阻力、探索更高效的热防护系统是研发高速飞行器过程中至关重要的课题.目前,国内外学者在飞行器减阻降热的机理及应用技术方面进行了大量研究,取得了丰富的成果.本文系统地梳理了在高速飞行器减阻降热领域的研究进展,阐述了主动热防护机理的研究结果,介绍了应用于高速飞行器的前沿减阻降热技术,并简述了基于余热利用的整体热防护系统的发展情况.基于对研究现状的分析,归纳总结了高速飞行器减阻降热技术的发展趋势与实际研究需求;最后针对这些实际研究需求,提出了一些研究思路上的建议.