CN112084722B - 一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法，首先根据短舱的数据模型或实物，针对前舱和后舱进出口以及中间通道建立三维仿真模型，然后根据各模型的进出口参数，采用CFD数值模拟仿真的方法，同时数值拟合得到不同出口压力下流量和压力的关系式。接着，根据短舱进出口质量流量守恒方程，采用粒子群算法求解得到各个模型通道的空气流量。然后，根据短舱截面半径建立短舱二维轴向模型。最后，建立短舱热平衡方程，结合对流和辐射换热公式以及计算获得的冷却空气流量，采用粒子群算法计算获取冷却空气及壁面沿轴向的温度分布。本发明易于实现，计算快速，且精度较高，能够满足实际工程要求。

Description

一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法

技术领域

本发明涉及飞机通风冷却领域，尤其涉及一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法。

背景技术

在飞机动力装置系统设计中，发动机短舱通风冷却系统的设计是主要内容之一。由于短舱内存在点火源和可燃液体，因此短舱区域被定义为指定火区。飞机在飞行或发动机地面运转时，为防止短舱内发动机部件和环境温度过热，以及可燃液体的积聚，在短舱内设计有通风冷却系统，强迫对舱内高温部件进行通风冷却并吹洗发动机舱内的泄漏物。因此，通风冷却系统设计的优劣和有效性关系到发动机以及短舱内部件的使用安全和工作可靠性，是飞机设计不可忽视的一部分，目前，针对短舱通风冷却系统的设计，主要停留在实验和全三维数值模拟仿真方面，真实短舱冷却空气进口通道数量众多，结构复杂，实施困难，同时计算周期长，难以模拟飞机在不同飞行工况下的通风冷却情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法，包含以下步骤：

步骤1)，根据已知的短舱的数据模型或实物，针对前舱进口通道、后舱进口通道选择单个孔结构建立单通道三维仿真模型，针对后舱出口通道、以及前后舱连接通道建立全三维仿真模型；

步骤2)，针对前舱进口通道、后舱进口通道、后舱出口通道、前后舱连接通道的三维仿真模型，采用ICEM网格划分工具获得非结构化网格，然后采用FLUENT软件进行求解，以前舱和后舱的总压为变量、边界条件为压力进口和压力出口、进行CFD数值仿真模拟得到流量和压力的数据，并采用最小二乘法数值拟合分别得到前舱进口通道、后舱进口通道、后舱出口通道、前后舱连接通道的流量和压力的关系式；

步骤3)，根据前舱进出口空气质量流量守恒以及短舱整体进出口空气质量流量守恒，以前舱和后舱总压为变量并且令总压等于静压，在粒子群算法中随机假设一群粒子，并初始化，以前舱进口通道、后舱进口通道、后舱出口通道、前后舱连接通道的流量和压力关系式为适应度函数、以总流量误差小于预设的误差阈值为约束条件，迭代获得在限定总压范围内的最优解，以此分别获得前舱进口通道、后舱进口通道、后舱出口通道、前后舱连接通道内的流量大小；

步骤4)，根据短舱截面半径建立短舱的二维轴向模型，沿轴向均匀划分成8段形成8个分区，以各分区的平均直径为当量直径；

步骤5)，采用粒子群算法求解冷却空气及壁面沿轴向的壁面温度分布：

步骤5.1)，根据热平衡方程Q_i＝Q_fi+Q_hi对短舱机匣表面、短舱外壳以及冷却空气分别建立热平衡方程，其中，Q_i为第i个分区壳体表面的散热热流密度；Q_fi为第i个分区壳体表面间的辐射换热热流密度；Q_hi为第i个分区壳体表面和冷却空气的对流换热热流密度，i为大于等于1小于等于8的自然数；

步骤5.2)，以建立的热平衡方程为适应度函数，通过粒子群算法对对流换热和辐射换热耦合求解，将各分区内的空气的质量流量作为输入量给出，以冷却空气的进出口温度的平均温度作为该分区内的空气温度，同时以每一分区冷却空气的出口温度为下一分区冷却空气的进口温度，求出每一个分区内冷却空气的进出口温度和壁面的平均温度。

作为本发明一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法进一步的优化方案，步骤2)中CFD数值仿真模拟得到流量和压力数据并采用最小二乘法进行多项式拟合得到以下流量和压力的关系式：

Q₁＝a×P₁ ²+b×P₁+c，式中，Q₁为前舱进口通道的空气质量流量，P₁为前舱总压，a、b、c均为拟合的多项式系数；

Q₂＝a×ΔP²+b×ΔP+c，式中，Q₂为前后舱连接通道的空气质量流量，ΔP为前后舱压差；

Q₄＝a×P₂ ²+b×P₂+c，式中，Q₄为后舱进口通道的空气质量流量，P₂为后舱总压；

Q₅＝a×P₂ ²+b×P₂+c，式中，Q₅为后舱出口通道的空气质量流量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明避免了进行全三维数值模拟仿真和实验在处理众多飞行工况下的繁杂，使用本发明计算的短舱冷却空气流量和壁面温度分布，和发动机三维全仿真模拟结果相比，本发明计算的结果与发动机三维全仿真模拟结果相近，在大大缩短了计算时间的同时，为工程设计提供了指导依据。

附图说明

图1为本发明一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法的流程图；

图2为短舱通风计算模型；

图3为短舱二维轴向分区示意图；

图4为冷却空气及壁面沿轴向的温度分布计算方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本发明公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明首先根据短舱的数据模型或实物，针对前舱和后舱进出口以及中间通道建立三维仿真模型，然后根据各模型的进出口参数，采用CFD数值模拟的方法，数值拟合得到不同出口压力下流量和压力的关系式。接着，根据短舱进出口质量流量守恒方程，采用粒子群算法求解得到各个模型通道的空气流量。然后，根据短舱截面半径建立短舱二维轴向模型。最后，建立短舱热平衡方程，结合对流和辐射换热公式以及计算获得的冷却空气流量，采用粒子群算法计算获取冷却空气及壁面沿轴向的温度分布。

如图1所示，本发明公开了一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法，包含以下步骤：

步骤一：建立短舱进出口及通道的三维仿真模型

如图2所示，方块1表示短舱前舱进口通道，方块2表示短舱前舱和后舱的连接通道，方块3表示预冷器进口通道，方块4表示短舱后舱进口通道，方块5表示短舱后舱出口通道；根据已知的短舱的数据模型或实物，针对前舱进口通道(序号1)、后舱进口通道(序号4)选择单个孔结构建立单通道三维仿真模型，针对后舱出口通道(序号5)、以及前后舱连接通道(序号2)建立全三维仿真模型；

步骤二：CFD数值模拟并获取流量和压力关系式

针对获得的三维仿真模型，采用ICEM网格划分工具获得非结构化网格，然后采用FLUENT软件进行求解，将外涵静压设为进口1和4的进口压力，将前舱和后舱的总压设为进口1和4的出口压力；将后舱出口5的进口压力设为后舱的总压，出口压力设为外涵静压；外涵静压为已知量，通过改变前后舱的总压，设置6-8组工况，从而获得1、4、5三个模型通道的流量和压力的数值拟合公式。同时，可以获得模型通道2的流量和前后舱压差的数值拟合公式。

步骤三：粒子群算法求解流量

预冷器进口通道3空气质量流量已知，根据通道1和2空气质量流量守恒和通道1、3、4和5空气质量流量守恒，以前舱和后舱总压为变量并且假设总压等于静压，在粒子群算法中随机假设一群粒子，并初始化，以各模型通道得到的流量和压力关系式为适应度函数，并以总流量误差小于一定值为约束条件，迭代获得在限定总压范围内的最优解，以此获得各通道内得流量大小；

步骤四：建立短舱分区二维模型

如图3所示，根据短舱截面半径建立短舱的二维轴向模型，沿轴向划分成8段，以各分区的平均直径为当量直径；

步骤五：粒子群算法求解冷却空气及壁面沿轴向的温度分布

冷却空气及壁面沿轴向的温度分布计算如图4所示，对任意段i壳体1的热平衡方程为：

Q_1i＝Q_12i+Q_1ai (7)

式中：Q_1i为壳1的散热热流密度；Q_12i为壳1对壳2的辐射换热热流密度；Q_1ai为壳1对流体a的对流换热热流密，i为不同分区；

将对流和辐射换热表达式带入式(7)得：

式中，ε_f12为壳体1对壳体2的壁面发射率，σ为玻尔兹曼常数，A_1i为分区i内壳体的周向面积，h_1ai为分区i内流体a的对流换热系数，T_1i为分区i内壳体1的平均温度，T_ai为分区i内冷却空气的平均温度，

对于壳2的热平衡方程为：

对冷却空气的热平衡方程可以写为：

式中，为分区i内空气的质量流量；

分区1内的冷却空气的进口温度为前舱外涵的温度，分区4内的进口温度为分区3的出口空气和后舱外涵的空气混合后的温度,同时假设壳体3的内壁面温度为外涵道的空气温度，壳体的壁面发射率假设为一定值；

对流换热系数的计算可以根据经验公式：

若R_e＜2000

若R_e≥2000，轴向位置从X₁到X₂的i分区内换热系数h的平均值为：

式中：λ为冷却空气的导热系数，即4倍流通面积/湿周长，d为分区内的当量直径，Pr为普朗特数；

根据已知条件，可以选择将短舱机匣壁面热流量分布或者壁面温度分布作为输入条件，同时将短舱进口通道1、3和4的质量流量作为输入端，带入上述基本方程，采用粒子群算法，将(8)(9)(10)三个方程的误差和作为收敛条件，限定最小误差值，求解得到最优解，由此得到短舱机匣壁面温度、短舱外壳壁面温度以及短舱内冷却空气温度沿轴向的分布。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1)，根据已知的短舱的数据模型或实物，针对前舱进口通道、后舱进口通道选择单个孔结构建立单通道三维仿真模型，针对后舱出口通道、以及前后舱连接通道建立全三维仿真模型；

步骤2)，针对前舱进口通道、后舱进口通道、后舱出口通道、前后舱连接通道的三维仿真模型，采用ICEM网格划分工具获得非结构化网格，然后采用FLUENT软件进行求解，以前舱和后舱的总压为变量、边界条件为压力进口和压力出口、进行CFD数值仿真模拟得到流量和压力的数据，并采用最小二乘法数值拟合分别得到前舱进口通道、后舱进口通道、后舱出口通道、前后舱连接通道的流量和压力的关系式；

步骤3)，根据前舱进出口空气质量流量守恒以及短舱整体进出口空气质量流量守恒，以前舱和后舱总压为变量并且令总压等于静压，在粒子群算法中随机假设一群粒子，并初始化，以前舱进口通道、后舱进口通道、后舱出口通道、前后舱连接通道的流量和压力关系式为适应度函数、以总流量误差小于预设的误差阈值为约束条件，迭代获得在限定总压范围内的最优解，以此分别获得前舱进口通道、后舱进口通道、后舱出口通道、前后舱连接通道内的流量大小；

步骤4)，根据短舱截面半径建立短舱的二维轴向模型，沿轴向均匀划分成8段形成8个分区，以各分区的平均直径为当量直径；

步骤5)，采用粒子群算法求解冷却空气及壁面沿轴向的壁面温度分布：

步骤5.1)，根据热平衡方程Q_i＝Q_fi+Q_hi对短舱机匣表面、短舱外壳以及冷却空气分别建立热平衡方程，其中，Q_i为第i个分区壳体表面的散热热流密度；Q_fi为第i个分区壳体表面间的辐射换热热流密度；Q_hi为第i个分区壳体表面和冷却空气的对流换热热流密度，i为大于等于1小于等于8的自然数；

步骤5.2)，以建立的热平衡方程为适应度函数，通过粒子群算法对对流换热和辐射换热耦合求解，将各分区内的空气的质量流量作为输入量给出，以冷却空气的进出口温度的平均温度作为该分区内的空气温度，同时以每一分区冷却空气的出口温度为下一分区冷却空气的进口温度，求出每一个分区内冷却空气的进出口温度和壁面的平均温度。

2.根据权利要求1所述的一种快速计算短舱冷却空气流量和壁面温度分布的方法，其特征在于，步骤2)中CFD数值仿真模拟得到流量和压力数据并采用最小二乘法进行多项式拟合得到以下流量和压力的关系式：

Q₁＝a×P₁ ²+b×P₁+c，式中，Q₁为前舱进口通道的空气质量流量，P₁为前舱总压，a、b、c均为拟合的多项式系数；

Q₂＝a×ΔP²+b×ΔP+c，式中，Q₂为前后舱连接通道的空气质量流量，ΔP为前后舱压差；

Q₄＝a×P₂ ²+b×P₂+c，式中，Q₄为后舱进口通道的空气质量流量，P₂为后舱总压；

Q₅＝a×P₂ ²+b×P₂+c，式中，Q₅为后舱出口通道的空气质量流量。