CN109145372A - 一种飞机油箱热计算建模方法及其计算模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞机燃油热管理技术领域，特别涉及一种飞机油箱热计算建模方法及其计算模型。该种飞机油箱热计算建模方法，包括以下步骤：步骤一、将飞机油箱结构抽象为概括性的换热边界；步骤二、对换热边界的内部及外部传热条件做合理假设；步骤三、根据合理假设建立换热边界的换热模型。据此方法建立的飞机油箱热计算模型上壁板换热模型、下壁板换热模型以及侧壁板换热模型，可方便地用于对飞机油箱进行热计算，从而将其纳入到燃油的热计算过程中。

Description

一种飞机油箱热计算建模方法及其计算模型

技术领域

本发明涉及飞机燃油热管理技术领域，特别涉及一种飞机油箱热计算建模方法及其计算模型。

背景技术

建立飞机燃油热管理需对飞机油箱内燃油的温度变化进行精确求解，飞机油箱内的燃油通过油箱结构与外界发生热量交换，热量交换的过程包括外界通过油箱结构向燃油输入热量以及燃油通过油箱结构向外界输出热量。

由于飞机油箱在机上广泛分布，于机翼、机身及发动机舱内均有设置，其在不同部位的形状迥异，且与内部燃油及外界环境的接触条件也不尽相同、复杂多变，致使对飞机上油箱进行热计算极度繁琐复杂，缺少准确可靠的方法及模型对其进行计算，并将油箱的传热过程计算纳入到燃油的热计算过程中。

发明内容

本发明的目的是提供了一种飞机油箱热计算建模方法及其计算模型，以克服或减轻上述至少一方面的问题。

本发明的技术方案是：

一种飞机油箱热计算建模方法，包括以下步骤：

步骤一、将飞机油箱结构抽象为概括性的换热边界；

步骤二、对换热边界的内部及外部传热条件做合理假设；

步骤三、根据合理假设建立换热边界的换热模型。

优选地，步骤一中换热边界包括：

上壁板，位于飞机油箱上部，其内壁面与飞机油箱内空气接触，外壁面与外部空气接触，且受太阳辐射；

下壁板，位于飞机油箱下部，其内壁面与被飞机油箱内燃油覆盖，外壁面与外部空气接触，且无太阳辐射；以及，

侧壁板，位于油箱侧面，其内壁面与被飞机油箱内燃油及空气浸润，外壁面与外部蒙皮内空气和/或燃油浸润。

优选地，步骤二中合理假设包括：

飞机油箱内燃油温度与其内空气温度相等；

飞机油箱内热辐射不计。

优选地，步骤三中换热模型包括：

上壁板换热模型，包括：

上壁板1与飞机油箱内空气的对流换热；

上壁板1与外部空气的对流换热；以及，

上壁板1受太阳及外部大气的辐射热；

下壁板换热模型，包括：

下壁板2与飞机油箱内燃油的对流换热；

下壁板2与与外部空气的对流换热；以及，

上壁板2受外部大气的辐射热；以及，

侧壁板换热模型，包括：

侧壁板3与飞机油箱内燃油及空气的对流换热；

侧壁板3与外部蒙皮内空气及燃油的对流换热。

一种飞机油箱热计算模型，根据上述飞机油箱热计算建模方法建立，上壁板换热模型如下：

下壁板换热模型如下：

侧壁板换热模型如下：

其中，

m_s：上壁板1的质量,kg；

c_s：上壁板1的热容,J/(kg·K)；

T_s：上壁板1的温度,K；

τ：时间,s；

h_∞：飞机油箱与外部空气的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_s：上壁板1外表面积,m2；

T_∞：外部空气温度,K,飞机飞行时取蒙皮附面层恢复温度；

h_s,q：上壁板1内表面与飞机油箱内空气的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_s,q：上壁板1内表面积,m2；

T_q：飞机油箱内空气温度,K；

q：太阳辐射强度,W/m2；

ε_o：蒙皮发射率；

σ：斯蒂芬-玻尔兹曼常数,σ＝5.67×10^-8W/(m2·K4)；

T_k：有效天空温度,K,其值与大气条件有关；

m_x,下壁板2的质量,kg；

c_x,下壁板2的热容,J/(kg·K)；

T_x,下壁板2的温度,K；

A_x,下壁板2的外表面积,m2；

h_x,f,下壁板2与飞机油箱内燃油的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_x,f,下壁板2的内表面积,m2；

T_f,飞机油箱内燃油温度,K，其值与飞机油箱内空气温度T_q相等；

m_c,侧壁板3的质量,kg；

c_c,侧壁板3的热容,J/(kg·K),

T_c,侧壁板3的温度,K,

h_c,f,侧壁板3与飞机油箱内燃油的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_c,f,侧壁板3被飞机油箱内燃油的浸润面积,m2；

h_c,q,侧壁板3与飞机油箱内空气的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_c,q,侧壁板3与飞机油箱内空气的对流换热系数,m2；

h_c,f,o,侧壁板3与外部蒙皮内燃油的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_c,f,o,侧壁板3被外部蒙皮内燃油的浸润面积,m2；

h_c,q,o,侧壁板3与外部蒙皮内空气的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_c,q,o,侧壁板3与外部蒙皮内空气的对流换热系数,m2。

本发明的优点在于：提供了一种飞机油箱热计算建模方法，其对飞机油箱的结构进行分析，并抽象得到概括性的换热边界，且抓住主要要素，忽略次要因素对换热边界进行合理假设，对飞机油箱复杂的实际传热进行简化；此外，根据此种建模方法得到了具有明确物理含义的飞机油箱热计算模型，可采用其对飞机油箱进行快速、可靠的热计算，将其纳入到燃油的热计算过程中。

附图说明

图1是本发明飞机油箱换热边界概括性抽象示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1对本发明做进一步详细说明。

本发明提供了一种飞机油箱热计算建模方法，包括以下步骤：

步骤一、将飞机油箱结构抽象为概括性的换热边界；

步骤二、对换热边界的内部及外部传热条件做合理假设；

步骤三、根据合理假设建立换热边界的换热模型。

进一步地，步骤一中换热边界包括：

上壁板1，位于飞机油箱上部，其内壁面与飞机油箱内空气接触，外壁面与外部空气接触，且受太阳辐射；

下壁板2，位于飞机油箱下部，其内壁面与被飞机油箱内燃油覆盖，外壁面与外部空气接触，且无太阳辐射；以及，

侧壁板3，位于油箱侧面，其内壁面与被飞机油箱内燃油及空气浸润，外壁面与外部蒙皮内空气和/或燃油浸润。

上述抽象的换热边界，可涵盖绝大多数常见的飞机油箱结构，本领技术人员在容易想到及可理解的范围内可进行其他方式的概括性抽象得到不同的换热边界的表示，以及利用上述抽象所展示出的概括性思路对能够见到的形状各异的飞机油箱进行概括性抽象。

进一步地，由于飞机油箱内燃油相变后的温度与相变前的燃油温度相差极小，在工程计算上可视为恒温相变，且相变后的燃油易与飞机油箱内上部空气混合均匀，其混合后的混合物导热系数极小，导热过程可忽略，由此可假设飞机油箱内燃油温度与其内空气温度相等；此外，由于油箱内部的温差较小，热辐射效应不显著，因此忽略油箱内部的热辐射。

本实施列举了上述两方面的合理假设，其保留了影响换热边界的主要因素，忽略了次要影响因素，可在保证模型可靠性的基础上实现对所建立模型的极大简化，可以理解的是在本领域技术人员在应用此种方法建立模型时不局限于上述两方面的简化，可根据实际情况在容易想到或明显可见的范围内进行其它方面的简化。

进一步地，步骤三中换热模型包括：

上壁板换热模型，包括：

上壁板1与飞机油箱内空气的对流换热；

上壁板1与外部空气的对流换热；以及，

上壁板1受太阳及外部大气的辐射热；

下壁板换热模型，包括：

下壁板2与飞机油箱内燃油的对流换热；

下壁板2与与外部空气的对流换热；以及，

上壁板2受外部大气的辐射热；

侧壁板换热模型，包括：

侧壁板3与飞机油箱内燃油及空气的对流换热；

侧壁板3与外部蒙皮内空气及燃油的对流换热。

上述换热模型可根据上述抽象的换热边界及所做的合理假设，并结合本技术领域内的常识及惯用技术手段得到，由上述可知根据此方法建立的换热模型具有明确的物理含义，易被领域内技术人员理解、接受并使用。

根据以上方法可得到如下所示的飞机油箱热计算模型：

上壁板换热模型：

下壁板换热模型：

侧壁板换热模型：

其中，

m_s：上壁板1的质量,kg；

c_s：上壁板1的热容,J/(kg·K)；

T_s：上壁板1的温度,K；

τ：时间,s；

h_∞：飞机油箱与外部空气的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_s：上壁板1外表面积,m2；

T_∞：外部空气温度,K,飞机飞行时取蒙皮附面层恢复温度；

h_s,q：上壁板1内表面与飞机油箱内空气的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_s,q：上壁板1内表面积,m2；

T_q：飞机油箱内空气温度,K；

q：太阳辐射强度,W/m2；

ε_o：蒙皮发射率；

σ：斯蒂芬-玻尔兹曼常数,σ＝5.67×10^-8W/(m2·K4)；

T_k：有效天空温度,K,其值与大气条件有关；

m_x,下壁板2的质量,kg；

c_x,下壁板2的热容,J/(kg·K)；

T_x,下壁板2的温度,K；

A_x,下壁板2的外表面积,m2；

h_x,f,下壁板2与飞机油箱内燃油的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_x,f,下壁板2的内表面积,m2；

T_f,飞机油箱内燃油温度,K，其值与飞机油箱内空气温度T_q相等；

m_c,侧壁板3的质量,kg；

c_c,侧壁板3的热容,J/(kg·K),

T_c,侧壁板3的温度,K,

h_c,f,侧壁板3与飞机油箱内燃油的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_c,f,侧壁板3被飞机油箱内燃油的浸润面积,m2；

h_c,q,侧壁板3与飞机油箱内空气的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_c,q,侧壁板3与飞机油箱内空气的对流换热系数,m2；

h_c,f,o,侧壁板3与外部蒙皮内燃油的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_c,f,o,侧壁板3被外部蒙皮内燃油的浸润面积,m2；

h_c,q,o,侧壁板3与外部蒙皮内空气的对流换热系数,W/(m2·K)；

A_c,q,o,侧壁板3与外部蒙皮内空气的对流换热系数,m2。

进一步地，上述有效天空温度T_k可根据以下计算公式得到：

其中：

T_d，地表温度，K；

e，水汽压，Pa；

e₀，海平面水汽压，Pa，其值位于0.0075-0.009之间；

b，水汽压递减系数，在自由大气中其平均值为4；

p_h，大气压力，Pa；

h，以海平面计算的高度，Km；

p₀，海平面的空气压力，Pa，其值为101325；

g，标准重力加速度；

R，空气的气体常数，J/(kg·K)，其值为287；

α＝0.0065℃/m；

S，日照百分率，其值等于实际日照时数与可能日照时数的百分比，北方地区的年平均日照率取60％，南方地区位于40-50％之间；

T_h为环境温度，K；

T₀＝288.15K。

根据上述飞机油箱热计算建模方法，抽象出换热边界上壁板1、下壁板2以及侧壁板3，并抓住主要要素，忽略次要因素，在合理简化的基础上建立上壁板换热模型、下壁板换热模型以及侧壁板换热模型实现对飞机油箱快速可靠地热计算，其应用可极大提高计算速度，实现飞机燃油热管理方面的可靠应用。可以理解的是此方法还可以应用于燃油散热管网系统的计算，以及对该方法进行简化应用于船舶及太阳能产业中，有关容器内流体的温度计算和热安全评估方面。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种飞机油箱热计算建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将飞机油箱结构抽象为概括性的换热边界；

步骤二、对所述换热边界的内部及外部传热条件做合理假设；

步骤三、根据所述合理假设建立所述换热边界的换热模型。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步骤一中所述换热边界包括：

上壁板(1)，位于所述飞机油箱上部，其内壁面与所述飞机油箱内空气接触，外壁面与外部空气接触，且受太阳辐射；

下壁板(2)，位于所述飞机油箱下部，其内壁面被所述飞机油箱内燃油覆盖，外壁面与外部空气接触，且无太阳辐射；以及，

侧壁板(3)，位于所述油箱侧面，其内壁面被所述飞机油箱内燃油及空气浸润，外壁面与外部蒙皮内空气和/或燃油浸润。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述步骤二中所述合理假设包括：

所述飞机油箱内燃油温度与其内空气温度相等；

所述飞机油箱内热辐射不计。

4.根据权利要求4所述的建模方法，其特征在于，所述步骤三中所述换热模型包括：

上壁板换热模型，包括：

所述上壁板(1)与所述飞机油箱内空气的对流换热；

所述上壁板(1)与外部空气的对流换热；以及，

所述上壁板(1)受太阳及外部大气的辐射热；

其中：

T_d，地表温度，K；

e，水汽压，Pa；

e₀，海平面水汽压，Pa，其值位于0.0075-0.009之间；

b，水汽压递减系数，在自由大气中其平均值为4；

p_h，大气压力，Pa；

h，以海平面计算的高度，Km；

p₀，海平面的空气压力，Pa，其值为101325；

g，标准重力加速度；

R，空气的气体常数，J/(kg·K)，其值为287；

α＝0.0065℃/m；

S，日照百分率，其值等于实际日照时数与可能日照时数的百分比，北方地区的年平均日照率取60％，南方地区位于40-50％之间；

T_h为环境温度，K；

T₀＝288.15K。