蒙皮換熱器性能研究與地面試驗

劉劍飛 李喬喬

摘 要：采用低耗能被動換熱方式設計出蒙皮換熱器，利用外界大氣作為熱沉，降低了飛機能耗，減輕了機載質量。由于高空大氣環境參數復雜，因此設計試驗樣件，并通過前期地面試驗研究工作，獲得熱邊流動傳熱準則與冷邊外界環境大氣對流換熱系數。在此基礎上，推算出高空飛機巡航狀態下的蒙皮換熱器性能。

關鍵詞：蒙皮換熱器;地面試驗;對流換熱系數;電子設備散熱

中圖分類號：V243 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： The skin heat exchanger was designed by adopting a low energy consumption passive heat exchange method， using the outside atmosphere as a heat sink， reducing the energy consumption of the aircraft and reducing the weight of the aircraft. Due to the complexity of the high-altitude atmospheric environment parameters， the test samples were designed， and through the preliminary ground test research work， the hot-side flow and heat transfer criteria and the cold-side ambient air convection heat transfer coefficient were obtained. On this basis， the performance of the skin heat exchanger in the cruising state of the high-altitude aircraft is calculated.

Keywords： skin heat exchanger;ground test;convective heat transfer coefficient;electronic device cooling

1 蒙皮換熱器的熱控系統

目前，電子設備熱載荷越來越大，普通氣-氣換熱器體積大、換熱效率低、質量大，已無法滿足高功率電子設備的散熱，液冷熱控系統即氣-液、液-液換熱器成為發展趨勢。蒙皮換熱器將外界環境大氣作為熱沉，內部流入液冷熱控系統熱工質，是一種氣-液換熱器，其多安裝于駕駛艙或電子設備艙[1]。為提高換熱效率，可將蒙皮換熱器與來流大氣形成一定的傾角，使來流大氣射向蒙皮換熱器外表面。此種熱控系統的優點是能耗低、設備少、艙內體積占用比小，熱沉為環境大氣，冷側無須功耗，可根據散熱功率的不同調整與大氣的接觸面積[2]。

2 蒙皮換熱器結構

為了提高換熱效率、降低成型工藝難度，蒙皮換熱器內部流道采用單層結構，內部流道可根據換熱性能要求選用不同的換熱元件和流程數，且內部工質流動方向在結構設計允許的條件下，應設計為與來流空氣形成逆流或逆叉流的流動方式[3];蒙皮換熱器外表面可根據換熱性能、質量、飛機隱身性能等要求考慮是否增加二次傳熱面積，但同時也會對質量、隱身性能、成型工藝難度等造成一定影響。

3 蒙皮換熱器性能理論研究

蒙皮換熱器安裝于飛機機身表面，外側與機身蒙皮共形[4]。基于其工作方式和換熱原理，蒙皮換熱器適宜安裝于前機身部分，根據安裝位置的不同，可與來流空氣形成一定的迎風角，從而改變蒙皮換熱器換熱效率。當蒙皮換熱器與來流空氣夾角為零，即蒙皮換熱器與來流空氣平行時，可認為全部來流空氣通過水平橫掠方式流過蒙皮換熱器表面，與蒙皮換熱器表面進行熱交換的空氣分子最少，此時，蒙皮換熱器換熱效率應為最小。筆者主要研究蒙皮換熱器換熱效率最小時的性能狀態[5]。

3.1 蒙皮換熱器工況參數

冷側：蒙皮換熱器外側有效表面積，即冷側有效換熱面積F空=100 800 mm2，飛機飛行環境下，環境大氣流經蒙皮換熱器外表面，飛行高度13 km，馬赫數0.55，大氣環境溫度-56.5 ℃，環境壓強16.58 kPa。

熱側：蒙皮換熱器內部有流體流道，起到二次傳熱的效果，其總有效換熱面積F熱=0.266 886 mm2，進口溫度ti=54 ℃，流量G=0.23 034 kg/s，比熱Cp=1 090 J/（kg·℃），導熱系數λ=0.061 W/（m·℃），動力黏度μ=9.43×10-4 Pa·S，普朗特數Pr=17，密度ρ=1 725 kg/m3。熱側流道高度為3 mm。

3.2 蒙皮換熱器性能理論分析

3.2.1 蒙皮換熱器換熱性能理論分析。冷側：流經蒙皮換熱器外表面的環境大氣經氣動加熱后的溫度計算公式為[6]：

式中：TH為外界大氣溫度，℃;M為飛行馬赫數;η為恢復系數，對于層流η=0.84，對于紊流η=0.89;k為絕熱指數，1.4。

由式（1）得出，T=-44.8 ℃，可得出此狀態下空氣的物性。

本文主要研究蒙皮換熱器換熱效率最小時的性能狀態。此時，可依據氣流橫掠平板公式進行相應計算[7]。

α=0.029 6Re0.8Pr0.4λ/x（2）

式中：Pr為普朗特數，0.736;λ為導熱系數，0.021 W/（m·℃）;ρ為空氣密度，0.253 kg/m3;Re為雷諾數，其計算公式為：

式中：x為附面層起始距離，根據蒙皮換熱器假設尺寸，在此定為0.26 m;v為氣流速度，162 m/s;μ為動力黏度，取1.52×10-5 Pa·s。

由式（2）得出，蒙皮換熱器外側空氣對流換熱系數α為100.4 W/（m2·℃），則α熱F=16 W/℃。

熱側的當量直徑為：

式中：A為流通面積，m2;L為潤濕周邊，m，代入上述數據可得，De=0.002 85 m。熱側工質在流道內部的質量流速w為810 kg/（m2·s）;雷諾數Re為2 448。

由式（3）得，蒙皮換熱器內部熱工質對流換熱系數α為713 W/（m2·℃），則α熱F熱=190 W/℃。

基于上述推算可得出，蒙皮換熱器在本文工況參數下，其換熱量可達到[8]：

將相關數據代入式（6），得蒙皮換熱器換熱量Q為1 413 W。

式中：t0為熱側出口溫度。將相關數據代入式（9），得出t0=48.3 ℃（見圖1）。

3.2.2 蒙皮換熱器流阻性能理論分析。蒙皮換熱器流阻主要分為沿程阻力損失、進口壓力損失（收縮阻力損失）和出口壓力損失（擴大阻力損失）。

質量流速w=810 kg/（m2·s），流動長度L=0.96 m，換熱器芯體沿程阻力損失ΔP1=14 969 Pa。

封頭到芯體的突縮、突擴阻力損失設計為兩流程，因此流體在兩側封頭處共有兩次突縮和突擴損失。

阻力系數K’=0.23，K”=0.13，封頭到芯體的流阻ΔP2=137 Pa;蒙皮換熱器封頭內工質90°轉彎阻力損失ΔP3=724 Pa。

進、出口管內部沿程阻力損失ΔP4=1 380 Pa;進、出口管內工質90°轉彎阻力損失ΔP5=4 468 Pa。

總阻力損失為：

4 蒙皮換熱器性能仿真研究

蒙皮換熱器為曲面不規則結構，利用傳統計算方法無法精確獲得其性能指標。由此，通過傳統理論計算與計算機模擬仿真相結合的方法得出蒙皮換熱器性能，并進行相應的試驗驗證，以得到較為準確的蒙皮換熱器性能指標。圖2為蒙皮換熱器的三維仿真數學模型，其模型外形尺寸、內部流道結構均與本文理論分析計算參數相同。

4.1 蒙皮換熱器換熱性能仿真分析

根據理論分析計算時的參數設定蒙皮換熱器模擬仿真的各個參數。蒙皮換熱器內部工質進口溫度ti=54 ℃=327 K，流量G=0.230 34 kg/s，比熱Cp=1 090 J/（kg·℃），導熱系數λ=0.061 W/（m·℃），動力黏度μ=9.43×10-4 Pa·S，普朗特數Pr=17，密度ρ=1 725 kg/m3，高度為3 mm，換熱量Q=1 400 W。經仿真可得蒙皮換熱器出口溫度約為320 K，即48 ℃，與理論分析熱側計算出口溫度48.3 ℃基本一致。溫度分布如圖3所示。

4.2 蒙皮換熱器流阻性能仿真分析

依據同樣的設定方法設置蒙皮換熱器仿真參數，蒙皮換熱器進口流量為0.230 34 kg/s，出口壓強為環境大氣壓強，即0.1 MPa。壓強分布見圖4。經過仿真得出進、出口壓差約為20 kPa，與理論分析計算流阻21.678 kPa基本一致。

經理論分析計算與計算機模擬仿真對比可知，二者結果非常接近，蒙皮換熱器性能分析方法較為準確。

5 蒙皮換熱器地面性能試驗研究

為了進一步驗證上述研究結果，搭建了地面研究試驗臺，完成了蒙皮換熱器地面性能試驗，獲得了對應試驗數據。本次試驗產品依據仿真數模研制，其外形近似于飛機蒙皮曲面，尺寸以及內部結構均與仿真數模相同。

地面試驗將蒙皮換熱器嵌入風道段中，利用風機提供來流空氣，空氣流量根據理論分析參數換算而成。經地面試驗，得出蒙皮換熱器在13 km試驗點時，其熱側出口溫度約為47 ℃，流阻約為30 kPa，與理論分析較為接近，經分析，其原因可能有以下幾點。

第一，蒙皮換熱器進行換熱理論分析時，僅考慮外側與環境大氣間的換熱，其余各面均假設為絕熱壁面。地面試驗時，由于其余各面均與環境空氣進行換熱，導致熱側試驗出口溫度低于理論分析結果。

第二，蒙皮換熱器進行流阻理論分析時，流道依據平直通道進行計算。地面試驗時，蒙皮換熱器近似為扇形曲面結構，各流道均存在一定的轉彎損失，導致試驗流阻高于理論分析結果。

6 結論

通過蒙皮換熱器的理論分析計算、計算機模擬仿真以及地面性能試驗，并進行三者的對比分析，獲得了蒙皮換熱器內部工質對流換熱系數、流動阻力和外側空氣對流換熱系數的計算方法。依據獲得的數據，可推算出蒙皮換熱器在高空實際使用時的性能。本研究分析均基于蒙皮換熱器與來流空氣夾角為0的狀況，若二者形成一定的夾角，在流阻保持不變的情況下，可進一步提高蒙皮換熱器的換熱性能。

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