發(fā)布時(shí)間：2020-05-20 05:26

【摘要】：開展飛機(jī)熱管理和座艙熱舒適性研究,有助于解決飛機(jī)返航熱沉不足問題,改善飛行員的熱舒適性,提高熱管理系統(tǒng)性能。本文采用數(shù)值方法對(duì)飛機(jī)的熱管理和駕駛艙人員熱舒適性進(jìn)行研究,分析了氣動(dòng)熱、座艙熱舒適性、新型空氣熱沉獲取技術(shù)等問題,并實(shí)現(xiàn)了熱管理系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化。論文的主要工作如下:(1)為了更精確的解決飛機(jī)座艙和機(jī)翼油箱熱負(fù)荷問題,采用RANS和SAS方法對(duì)其進(jìn)行研究。結(jié)果表明,機(jī)身表面的氣動(dòng)熱溫度呈非均勻分布,且在飛機(jī)座艙蓋位置出現(xiàn)局部高溫,這與繞過飛機(jī)座艙的氣流出現(xiàn)先壓縮后膨脹的現(xiàn)象有關(guān)。飛機(jī)機(jī)翼表面的氣動(dòng)熱分布較為平均,僅在后緣附近的溫度略有升高,這與后緣處存在渦脫落現(xiàn)象有關(guān)。(2)采用理論分析與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法,針對(duì)飛機(jī)座艙的熱舒適性進(jìn)行研究。建立適用于飛機(jī)駕駛艙高太陽(yáng)輻射、天空輻射等特殊熱環(huán)境的人員熱舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV_F,并應(yīng)用于飛機(jī)座艙的熱舒適性評(píng)價(jià)中。研究表明,當(dāng)飛機(jī)的飛行高度較高時(shí),人體的熱舒適性越好;當(dāng)飛行馬赫數(shù)越小時(shí),人體的熱舒適性也越好。此外,當(dāng)飛行馬赫數(shù)達(dá)到2時(shí),無(wú)論高低空飛行,人體頭部和肩部的PMV_F指標(biāo)均不能滿足熱舒適性要求。(3)為解決飛機(jī)熱舒適性及熱沉不足問題,開展沖壓引射技術(shù)和環(huán)形散熱器技術(shù)及其相關(guān)機(jī)理的研究。結(jié)果表明,在亞音速飛行工況下,沖壓空氣引氣量增量最大可達(dá)58.5%,沖壓引射技術(shù)有利于提高進(jìn)氣道內(nèi)的動(dòng)量輸運(yùn),增加引氣量;在超音速飛行工況下,沖壓引氣量會(huì)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng),這與此時(shí)沖壓引射抑制進(jìn)氣道內(nèi)的動(dòng)量輸運(yùn)有關(guān)。環(huán)形散熱器中的主流體側(cè)為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道,故對(duì)流換熱Nu數(shù)變化不大;二冷流體側(cè)的對(duì)流換熱Nu數(shù)則受構(gòu)型的影響較大,這與二冷流體側(cè)的流體運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)。在二冷流體側(cè),構(gòu)型的變化可以改變壁面附近的渦運(yùn)動(dòng),進(jìn)而影響強(qiáng)迫對(duì)流換熱。構(gòu)型優(yōu)化結(jié)果表明,半圓形二冷流體通道的環(huán)形散熱器換熱效果優(yōu)于長(zhǎng)方形通道,最大可提升39%左右。(4)對(duì)飛機(jī)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究,并以熱舒適性為優(yōu)化目標(biāo)之一實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化。研究表明,長(zhǎng)時(shí)間巡航(45分鐘以上)會(huì)使燃油熱沉溫度超標(biāo)(超過40℃),增加空氣熱沉可以使燃油溫度控制在安全范圍內(nèi)。通過對(duì)燃油代償、座艙熱舒適性等的多目標(biāo)優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣量為0.22 kg/s、沖壓空氣量為0.20 kg/s、初級(jí)換熱器效率為0.85、次級(jí)換熱器效率為0.9時(shí),系統(tǒng)性能最優(yōu),其中次級(jí)換熱器效率對(duì)系統(tǒng)性能的影響最大。以空調(diào)子系統(tǒng)為例的熱管理系統(tǒng)故障分析表明,在渦輪等部件增加測(cè)點(diǎn)的方法可以使系統(tǒng)的故障檢測(cè)率從91.4%提高到100%,使系統(tǒng)的故障隔離率從32.9%提高到83.9%。
【圖文】：

究背景和現(xiàn)狀著現(xiàn)代航空航天技術(shù)的發(fā)展，特別是軍事領(lǐng)域航空技術(shù)的快速更迭，新一代飛機(jī)來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)中的優(yōu)勢(shì)，必須裝備大量先進(jìn)電子設(shè)備。同時(shí)隱身的要求，對(duì)飛機(jī)機(jī)載設(shè)機(jī)熱管理系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于新一代飛機(jī)的機(jī)載電子設(shè)備不僅需要承擔(dān)艙參數(shù)顯示、飛行狀態(tài)控制、飛行導(dǎo)航等傳統(tǒng)的基本任務(wù)，還需要進(jìn)行電子對(duì)抗電子戰(zhàn)任務(wù)，因此機(jī)載電子設(shè)備無(wú)論是在數(shù)量還是在發(fā)熱功率上都比之前大大增以及熱流密度也遠(yuǎn)超過以前的飛機(jī)。例如作為第四代戰(zhàn)斗機(jī)典型代表的美國(guó) F-2，其設(shè)有兩個(gè)電子設(shè)備艙，總設(shè)計(jì)熱載荷達(dá)到了 55kW。同時(shí)，新一代戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)等方面的要求，制約了沖壓空氣制冷系統(tǒng)的制冷能力。此外，復(fù)合材料蒙皮、高高度嵌入的飛行器系統(tǒng)將使得飛機(jī)散熱更加困難，加劇了熱管理方面的技術(shù)挑戰(zhàn)尋新的熱沉或新型的熱沉獲技術(shù)，從整機(jī)的角度對(duì)飛機(jī)熱系統(tǒng)進(jìn)行綜合熱管理就。了解決下一代戰(zhàn)斗機(jī)的熱管理需求，美國(guó)空軍先后實(shí)施了“飛行器能量綜ENT）計(jì)劃、“綜合推進(jìn)、動(dòng)力與熱管理技術(shù)”等多項(xiàng)計(jì)劃，并在 2016 年啟動(dòng)了、電力與控制”（NGT-PAC）的科研計(jì)劃。

飛機(jī)熱管理與座艙熱舒適性研究作為冷源具有一定的局限性。因?yàn)槭艿叫乱淮�飛機(jī)影身要求的限制量都受到制約，從而限制了飛機(jī)沖壓空氣的進(jìn)氣量降，是的飛機(jī)空降低。另外，在新一代飛機(jī)進(jìn)行超音速巡航(以馬赫數(shù) Ma=1.2-1.6 ，其引入的沖壓空氣溫度也會(huì)有所提高，從而大大降低沖壓空氣作為增加飛機(jī)的阻力代償。為此，，俄羅斯曾采用發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道換熱技術(shù)法雖然改善了空氣熱沉的制冷能力，但卻增加了發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道的阻修。對(duì)于以往的機(jī)載制冷方法，環(huán)控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、熱量交叉較少，各系統(tǒng)之間不能進(jìn)行能量的流動(dòng)，從而使得熱量不戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)研究中，為了能夠滿足新一代飛機(jī)隱身性、機(jī)動(dòng)性、超面的高性能要求，必須采用新的熱沉獲取技術(shù)，將相關(guān)熱系統(tǒng)進(jìn)行合制冷，最終實(shí)現(xiàn)從飛機(jī)熱管理的角度對(duì)飛機(jī)的熱量進(jìn)行分配與優(yōu)
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V223

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 熊睿;張興娟;熊賢鵬;;渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的熵增影響分析[J];飛機(jī)設(shè)計(jì);2015年06期

2 季益斌;龐麗萍;王浚;;現(xiàn)役民機(jī)客艙熱舒適評(píng)價(jià)[J];安全與環(huán)境學(xué)報(bào);2015年01期

3 彭治雨;石義雷;龔紅明;李中華;羅義成;;高超聲速氣動(dòng)熱預(yù)測(cè)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J];航空學(xué)報(bào);2015年01期

4 許常悅;周濤;王從磊;;平面超聲速引射器內(nèi)部流動(dòng)的大渦模擬[J];航空學(xué)報(bào);2014年08期

5 趙明;孫建紅;孫智;;隔板對(duì)雙座座艙熱舒適性的影響[J];江蘇航空;2014年03期

6 張玲;王玲;吳桐;;基于改進(jìn)的粒子群算法優(yōu)化反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱舒適度預(yù)測(cè)模型[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2014年03期

7 韓海鷹;滿廣龍;曹劍峰;孟繁孔;;交會(huì)對(duì)接載人組合體熱管理技術(shù)研究[J];中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué);2014年02期

8 丁順利;朱春玲;張泉;秦培華;黃志成;;環(huán)形散熱器應(yīng)用于液冷的數(shù)值研究[J];飛機(jī)設(shè)計(jì);2014年01期

9 李登;尹亞蘭;萬(wàn)福;周紅波;;基于TEAMS的短波綜合通信系統(tǒng)多信號(hào)建模與分析[J];電子測(cè)量技術(shù);2013年11期

10 呂振遠(yuǎn);張興娟;;先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)電子設(shè)備艙冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方法研究[J];飛機(jī)設(shè)計(jì);2013年05期

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1 韓忠華;旋翼繞流的高效數(shù)值計(jì)算方法及主動(dòng)流動(dòng)控制研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2007年

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1 李冰月;基于FMECA和FTA的機(jī)載制冷系統(tǒng)故障分析[D];南京航空航天大學(xué);2016年

2 張彥龍;某型民用支線飛機(jī)座艙熱舒適分析[D];南京航空航天大學(xué);2014年

3 黃箐;輻射冷頂板條件下室內(nèi)熱舒適及PMV指標(biāo)適用性研究[D];湖南大學(xué);2013年

4 胡訓(xùn)堯;航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵空氣換熱器性能研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

5 孫超;機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)仿真研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

6 吳丹;飛行器座艙熱舒適性研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

7 金敏;殲擊機(jī)蒸發(fā)制冷循環(huán)系統(tǒng)控制與仿真研究[D];電子科技大學(xué);2009年

8 張祥云;渦輪全三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算與分析[D];南京航空航天大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2672139