飞机燃油系统热负荷计算及热管理分析

随着飞机性能和电子设备性能要求不断提高，飞机的热负荷不断增大，同时因隐身要求冲压空气的使用受到限制。燃油成为目前四代机首选的热沉介质。然而燃油作热沉面临很多需要解决的问题。首先，燃油消耗和温度变化量使得热沉动态变化，需要优化设计和精细控制；其次，随着飞行马赫数的提高，飞机的气动加热问题势必会影响到燃油箱中的燃油的温度。因此，本文主要围绕以下内容开展工作： (1)分析了飞机燃油的热负荷组成情况，分别计算了油箱的结构热负荷和飞机的附加热负荷。针对输油箱，计算了不同飞行马赫数、油箱热阻以及太阳辐射条件下油箱内的燃油温度情况。结果表明在太阳辐射存在的情况下，油箱内燃油的温度随飞行马赫数增大而上升，并且油箱热阻越小油箱内燃油的温升越大。此外，分析了回流流量、附加热负荷和入口燃油温度对供油箱内燃油温度的影响，即供油箱内燃油温度随入口燃油温度，附加热负荷和回流流量的增大而升高。 (2)采用雷诺平均Navier-Stokes方程方法研究了F-5和M6两种机翼的气动加热特性。考察了在Re107，0o的情况下， Ma=1.5和Ma=2.0时两种机翼外表面的温度分布。通过分析对比两种机翼上下表面中心线的温度分布情况，可知机翼上下表面温度分布接近，且两种机翼的表面温度值也较为接近。即当Ma=1.5时，T W=373K；当Ma=2.0时，T W=453K。 (3)采用Fluent商用软件数值模拟了二维和三维的输油箱和供油箱内燃油的流动换热，得到了油箱内燃油的温度分布以及燃油出口温度随时间的变化。结果表明，输油箱内燃油温度随着马赫数增大而增大，并且随着耗油速度增大而减小；供油箱内燃油温升随入口温度增大而增大，随储油量减少而增大。 (4)基于Flowmaster仿真平台，搭建了飞机燃油系统的仿真模型。计算了飞机不同飞行任务时，燃油系统内各节点的温度变化情况。计算结果表明在飞机总储油量为7吨不变的情况下，以Ma=2.15飞行600s左右，送往发动机的燃油温度将超过上限，当飞行时间超过900s，输油箱内燃油温度也会超过上限，燃油无法提供足够的热沉；而Ma=0.85的飞行状态，整个飞行过程中，燃油温度都在合理范围内，燃油能够提供足够的热沉。