南航基于flowmaster飞机空调系统仿真

JIANGSU基于FLOWMASTER的飞机空调◎侯学东夏文庆／南京航空航天大学航空宇航学院◎侯世峰／驻航宇公司军事代表室飞机空调系统经历了从涡轮通风式到三轮式、三轮高压除水系统、四轮高压除水系统和闭式空气循环系统的发展历程。系统的结构和动态特性越来越复杂,传统实物实验的设计方法耗资巨大、周期较长,已不能满足系统性能设计,尤其是控制特性设计的要求难以满足采用数值仿真投资少、耗时少、计算精度高,而且可以在获得试验样机甚至系统设计之前对系统扰动量和控制量的作用JIANGSU基于FLOWMASTER的飞机空调◎侯学东夏文庆／南京航空航天大学航空宇航学院◎侯世峰／驻航宇公司军事代表室飞机空调系统经历了从涡轮通风式到三轮式、三轮高压除水系统、四轮高压除水系统和闭式空气循环系统的发展历程。系统的结构和动态特性越来越复杂,传统实物实验的设计方法耗资巨大、周期较长,已不能满足系统性能设计,尤其是控制特性设计的要求难以满足采用数值仿真投资少、耗时少、计算精度高,而且可以在获得试验样机甚至系统设计之前对系统扰动量和控制量的作用效果进行分析,为系统设计、附件设计、控制方案的确定及优化提供理论依据,已得到了普遍重视而且飞机环控系统一般由压气机、涡轮和多个换热器组成,结构复杂,热惯性大对干扰和调节作用的响应较为复杂,不便于理论分析因此,现在对静态和动态问题的分析研究几乎都是由计算机1附件连接示意图仿真来完成的。本文基于仿真平台以三轮高压元件;除水系统为例, 数值建介绍制冷附件的建模方法及仿真的可靠元件;P2+a3元件;Flowmaster是当今全球最为著名的热流体系统仿真分析平台,计算效率较高,求解精确、建模方式便捷快速。对于由多个元件组成的流体系统,Flowmaster的解算器利用迭代求解系数矩阵的方式计算出系统的节点压力,然后根据元件的流阻特性及流量守恒的原理得到主干和分支的节点节点(a1+a2+a3+a4)P 12流量,进而得到流速、雷诺数、马赫数等参数对于热流体节点节点节点系统,wsr将动量方程、连续方程和能量方程同时进行耦合求解,根据系统自带或用户输入的元件热性能参数,考虑元件与流体介质及环境的传导换热、对流换热及辐射换热,同时还考虑温度对流体介质(如滑油、燃油、空气等)的动力学粘度定压比热、密度和热膨胀速率的影响,过反复迭代得到热流体系统的温度分布,并给出元件的实际换热量、热阻换热效率及努谢尔数等参数。其中:Pi为第i个节点处的压力;mij为由i节点到j节点的流量;ai为线性方程的系数综合上述节点线性方程(5)~(9)得到系数矩阵方程1 ◎1aP2+a+a a3a04aa 系统管网中往往安装多种附件来实现系统的功能P300a=a00过这些装置时,流体运动受到扰乱,必然产生压强或4a04头、能量)损失这种在管路局部范围内产生的局部损失将◎2P5按照如下所示矩阵求解1中将4个两臂元件联接于同一节◎m21-◎分别给出123m+m+m-(a+aa5个节点处的压力以及各支路的流量(Flowmaster中流入元件的流量为正,流出为负),为了推导矩阵的方便,假设流体由元件流向节点。根据4个元件所组成的线性方程组构建系数矩阵来求解，具体过程如下。建立元件及节点的流量方程 ◎◎◎◎◎◎m23-m24-m25-上面的是Flowmaster来求解质量流量的,显示了用线性元件推导的系数来求解复杂网络的方法。对于复杂的系统也是如此反复迭代求解的。但写出一个简单的矩阵方程元件m12=a1P1+a1P2+a1 JIANGSU是不容易的环控系统建模分主要附件的输入参数在对压缩机进行计算时有受到限制。JIANGSU是不容易的环控系统建模分主要附件的输入参数在对压缩机进行计算时有受到限制。通常在建模过程中,要根据实际系统对模型进行简化,模型简化后能够大大缩短计算时间,并能够反映出系统的关键性能与主要影响因素。对系统模型进行简化可以参考以下几点:可以忽略系统中流动阻力较小的部件,因为忽略这些部件并不会对计算结果产生很大的影响。用离散损失部件替代系统中众多的流阻元件,原则是离散损失部件的流阻等于被替代部件的阻力和,这样可以大大提高系统的收敛性,减少计算时间。可以用一个泵元件替代并联支路的多个泵,替代则依然是替代前后系统局部(压升vs流量)曲线不变由于飞机空调系统比较紧凑,部分较短的管路对系统的压缩机模型需要输入两个曲面参数:①压缩比vs折合质量流量vs折合转速;②压缩机效率vs折合质量流量vs压缩比。根据折合质量流量和转速计算压缩机效率和压缩比。曲面①限制大、最小转速,确保了压缩机在适当的流量范围内运行(2)涡在进行涡轮计算时 需要提供涡轮效率其形式有两种:①输入固定常数值;②以输入曲面—涡轮效率vs折合质量流量vs涡轮膨胀比。(3)热交换热交换器的计算主要包括压力损失的计算和热效率性能影响不大,故在建模过程中忽略这些管道通过仿真软件FlowmasterV7所建的串联式三轮高压除水系统的整体简化模型如图2所示。初级和次级换热器冷边空气由轮驱动的风扇以及飞机飞行时的冲压空气提供,涡轮输出的功85％驱动压气机,15驱动风扇。选取仿真状态点,给出上述模型中元件的参数,进行稳态计算,仿真结果列入表1中。当改变次散冷边入口温度或初散热边入口温度而其他条件不变时,系统内各部件的进出口温度也随之发生变化。当冲压空气的温度变化范围不大时,空气的定压比热容变化甚微,而冷热边的空气流量的变化较小,所以热交换的计算,有关文献对其进行了详细的阐述Flowmaster中的各种计算方法。压力损失的计算:在此仅简述通过设置的值或曲线作为初始参数来计算:①压力损失系数vs雷诺数;②压力降vs流速;③压力降vs体积流量;④固定的压力损失系数。热效率初始参数依次是:①固定的换热量;②热边温降;③冷边温升;④固定的热效率;⑤热效率vs热边质量流量vs冷边质量流量;⑥热效率vs热边体积流量vs冷边体积流量;⑦换热系数vs热边质量流量vs冷边质量流量;⑧热效vs传热单元数(NTU)vs热容比(C);⑨努谢尔特数(Nu)vs热边雷诺数vs冷边雷诺数。九种方法的优先级依次递减。2.2串联式三轮高压除水系统的建模仿真实例上述四种方法的优先级依器的效率几乎不变,在此忽略换热器效率的变化由于初散使用铝制板肋式热交换器,其耐高温为250℃,故仅在此温度以下研究,并得到如下结果图3为各部件连接处温度随次散冷边入口温度的变化曲线;图4为冷热流比、压缩比与膨胀比随冷边入口温度变化的曲线。由图可以看出,在一定范围内改变冷边入口温度,部件连接处温度近似线性变化,且斜率相近。图5为部件连接处温度随初散热边边入口温度的变化曲线;图6为冷热流比、压缩比与膨胀比随热边入口温度变化的曲线。图中显示,部件连接处的气体温度呈线性变化,且进入在一个系统模型中所能使用的总的部件数受用户所使用的许可文件控制,但系统的复杂程度却没串联式三轮高压除水系统仿真模型JIANGSU表1仿真结果(单位说明:压力—bar;温度—元仿真参数热边进口压力热边进口温度热边JIANGSU表1仿真结果(单位说明:压力—bar;温度—元仿真参数热边进口压力热边进口温度热边出口压力热边出口温度冷边进口温度冷边出口温进口压力进口温度出口压力出口温度热边进口压力热边进口温度热边出口压力热边出口温度冷边进口温度冷边出口温度热边进口压力热边进口温度热边出口压力热边出口温度冷边进口压力冷边进口温度冷边出口压冷边出口温度元仿真参数热边进口压力热边进口温度热边出口压力热边出口温度冷边进口压力冷边进口温度冷边出口压力冷边出口温进口压力进口温度出口压力出口温度进口压力进口温度出口压力出口温度冷热边流比------器器压器器流器次散冷边温度对部件连接处温度的影响4次散冷边温度对冷热流比、压缩比与膨胀比的影响增加1℃制冷量在±2364％～±2649％间变化;8显示制冷量随初散热边温度的增加而减小,以225℃为基准时,次散前变化明显,而经过次级换热器后,各附件状态点的温度几乎不变;冷热流比、压缩比与膨胀比变化较小。由图7知,系统制冷量随次散冷边温度的增加而减少,各段变化幅度有较小波动,当以40℃为基准时,每减小或综上可度减小或增加1℃制冷量变化±0138％～±014％。知,冷边温度变化引起系统制冷量的变化更为明显。JIANGSU◎马晓东/东航江苏有限公司 (TRAFFICALERTCOLLISIONAVOIDANCESYSTEM)统的需求。1981年,美国联邦航空管理局(FAA)正JIANGSU◎马晓东/东航江苏有限公司 (TRAFFICALERTCOLLISIONAVOIDANCESYSTEM)统的需求。1981年,美国联邦航空管理局(FAA)正式提出了对空中防撞系统机邻近空域中的交通状况它在必要的时候向飞行员发出交通咨询(TA),提醒飞行员注意存在潜在的危险接近情况,但早期的TCASⅠ并不能提供解脱咨询(RA),即不能提供回避危险所应采取的措施。 虽然TCASⅠ已经研制成功,但未曾正式装机。（2）TCASⅡ于20世纪90年代为一种新型的航空电子系统它在当的功能需求和技术定义并制定和实今日益繁忙的空中交通中扮演的角色施了TCAS研制计划TCAS是一套能独立于地面电台工作的机载交通警戒越来越重要防止飞机之间的危险近,保障飞机的飞行安全,是现在各种型号民航客机所必须安装并保证其工作正常的电子设备之一。 TCAS的历史发展和功用（1）早在1955年,RadioTechnicalCommissionforAeronautics(RTCA和IEEE联合提出了对开发空中防撞系及空中防撞系统它不断地观测本机周围的空域,借助于ATC应答机,搜寻来自附近空域其他飞机的回答。如果有其他飞机进入本机的监视区内,则制成功使机载防撞系统的理论不根据对本机询问做出的回答获得它完善,性能得到明显地增强。它能够跟踪约30海里范围内装备TCASⅡ的相对距离、方位和高度信息,将本机周围一定立体空域中的交通状况显示多架飞机评估本机和相遇飞机危险使飞行员能一目了然地掌握本出来接近的等级,必要时发出交通咨询次散冷边入口温度对制冷量的影响图图初散热边温度对部件连接处温度的影响初散热边入口温度对系统制冷量的影响图图6初散热边温度对冷热流比、压缩比与膨胀比的影响便设计人员综合比较各种模型,尝试各种措施,进行最优化选择,缩短了研发时间,节约研发成本,为下一步系统改进工作提供方向性指导。 论(