飛機液冷系統的流量測量及計算

崔永龍+施紅+陳常棟

摘要： 飛機液體系統由于其高換熱系數、較高的冷卻效率及穩定的工作能力將成為現代高性能飛機的電子設備散熱的必然。國內飛機液冷系統的研究剛剛起步，技術尚不完善，為了研究液冷系統的性能進而需測量系統管路的流量，而目前盡管地面系統涉及的液體流量測量方法較多，但由于設備體積較大難以在飛機上實施。另外，由于軍事保密等原因，國外的相關報道甚少。鑒于上述原因，提供一種結構簡單、安裝方便的飛機液冷系統流量的測量方法迫在眉睫。據此，本文提出了一種可用于飛機液冷系統測量的測量方法，其考慮了飛行加速度對流量測量的影響。同時，以彎管為例，通過數值模擬的方法，獲得了彎管壓降的無量綱關系式。論文的研究成果將為飛機液冷系統流量的測量和計算提供技術參考。

Abstract： Aircraft liquid system， due to its high heat transfer coefficient， high cooling efficiency and stable working ability， will become the necessity for cooling of electronic equipment of modern high-performance aircraft. Domestic aircraft cooling system research has just started and the technology is not perfect， so in order to study the performance of the liquid-cooled system， it is necessary to measure the flow of the system piping. At present， although the methods of measuring the liquid flow in the ground system are more， they are difficult to implement on the plane due to large equipment volume. In addition， due to military secrecy and other reasons， there are few foreign reports. In view of the above reasons， it is imminent to provide a simple and easy flow measurement method of aircraft air cooling system. Accordingly， this paper presents a measurement method that can be used in the measurement of aircraft cooling system， which takes into account the impact of flight acceleration on flow measurement. At the same time， taking the elbow as an example， through the numerical simulation method， the dimensionless relation of the pressure drop of the elbow is obtained. The research results of this paper will provide technical reference for the measurement and calculation of the flow rate of aircraft cooling system.

關鍵詞： 加速度；流量；彎管；無量綱

Key words： acceleration；flow；elbow；dimensionless

中圖分類號：V241 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0085-04

1 背景及現狀分析

近年來，航空裝備發生了巨大的變化，機載電子設備的應用越來越廣泛，電子艙熱載荷急劇增加，它所產生的熱負荷已從原來的幾千瓦增大到幾十千瓦。這些電子設備工作時，一方面除了發射出少量功率以外，70%～90%的輸入功率都轉變成了熱量；另一方面，隨著電子器件向集成化、小型化發展的趨勢，電子設備功率增大、封裝密度增大、體積縮小，導致電子設備的熱流密度急劇上升。如果這些熱量不能及時得到冷卻，將直接影響電子設備的正常工作，甚至引起電子設備的破壞。因此，解決大功率、高熱密度下機載電子設備的冷卻是特種飛機環境控制中的一個十分關鍵的問題，也是特種飛機完成使命的一個重要保證。然而，傳統的空氣冷卻面臨多種問題：首先是發動機不能提供過大的引氣量；其次，空氣冷卻管路在電子設備內部難以布置；另外，空氣作為冷卻介質不能滿足高熱流密度換熱的要求。而液體由于其換熱系數和比熱遠比空氣大，液體冷卻系統具有較高的冷卻效率及穩定的工作能力。因此，液體冷卻系統用于現代高性能飛機的電子設備散熱成為必然。

液冷系統的主要特性參數除溫度和壓力以外，制冷液的流量也是一個重要的設計參數，它的獲得主要通過實驗測量。傳統的液體流量測量方法有很多，但在飛機上實施有一定的難度，存在泄漏、受飛行工況制約等諸多不利因素，因此必須尋找一種安全可行的測量和標定方法。

鑒于上述原因，本文提出了一種結構簡單、安裝方便的飛機液冷系統流量的測量方法，并通過修正系數法對液冷劑的流量進行修正標定。同時，基于CFD技術，對彎管的壓降進行數值模擬，獲得了彎管數值計算的無量綱關聯式。上述研究成果為飛機液冷系統流量的測量和計算提供技術參考。