CN113297674B - 一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，包括步骤如下：(1)对燃油箱热模型按照功能模块进行划分和设计；(2)将单个燃油箱划分为功能不同的单元，设置各单元之间的接口；(3)通过面向对象物理系统软件编写各单元内置模块，将各单元和接口封装；(4)将各单元拼接成隔舱对象，隔舱对象相互拼接形成目标油箱对象，根据输入对象进行仿真计算；自动完成传质传热计算，一键提取时间常数和平衡温差。本发明通过不同的隔舱的拼接方式，构造出任意复杂拓扑结构的油箱，建模过程灵活，易于修改；同时考虑了油箱内部及惰化系统传质传热，可靠性、精确度高，为适航过程中蒙特卡罗分析提供关键参数。
Description
技术领域
本发明涉及油箱热模型的构建方法，尤其涉及一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法。
背景技术
随着飞机的多种性能不断提高，机电一体化技术不断提升，机载电子设备的数量和功率不断增加，飞机上承载的热负荷不断增加，相比于以往传统飞机的环控系统中，其单一的空气循环制冷系统已经难以满足日益增长的冷却需求，飞机燃油成为目前民用飞机热沉介质的最佳选择，而燃油的消耗和温度变化也需要进行相应的优化设计模拟和更加精准的控制。
飞机燃油箱热模型的建立和研究是对燃油箱以及燃油系统进行计算分析的基础。燃油和油气温度的控制在飞机燃油箱的安全系数、防火抑爆等方面至关重要。最新FAR 25部981条款明确规定，若燃油箱不可以等效为传统未加热的铝机翼油箱，则其燃油箱可燃性必须采用蒙特卡罗分析的方法来证明可燃性符合要求，而燃油箱的热参数是蒙特卡罗分析的关键输入参数。因此，研究油箱内燃油温度变化规律是国内适航符合型验证中至关重要的环节，而目前国内在该领域的研究尚处于起步阶段。
获取燃油温度变化规律的方法有飞行实测法和理论分析法两类，虽然飞行实测法可以获得相对精确的燃油温度变化曲线，但由于飞行实测费用高、周期长，且不同类型飞机所获取的实测数据各不相同。因此，该方法并不具备普适性，在适航认证中，常用来验证理论分析法的可信度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种具备普适性、高可靠性热模型的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法。
技术方案：本发明的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，包括以下步骤：
(1)对燃油箱热模型按照功能模块进行划分和设计；
(2)将单个燃油箱划分为功能不同的单元，设置各单元之间的接口；
(3)通过面向对象物理系统软件编写各单元内置模块，将各单元和接口封装；
(4)将各单元拼接成隔舱对象，隔舱对象相互拼接形成目标油箱对象，根据输入对象进行仿真计算；
(6)自动完成传质传热计算，一键提取时间常数和平衡温差。
进一步，所述步骤(1)中，所述功能模块包括燃油箱内热源和燃油箱外热源；燃油箱内热源包括燃油箱内液压系统管路散热、机电系统的热载荷、滑油系统的散热和发动机附件抽油泵散热；燃油箱外热源来自于太阳辐射、地面辐射和蒙皮表面附面层的气动对流加热；所述燃油箱由若干个长方体的隔舱组成，每件隔舱由壁面、内部燃油单元和气体单元构成。
进一步，所述步骤(2)中，所述单元是最小的封装对象，包括各个壁面单元、内部燃油单元、气体单元、气动加热单元、对流换热单元、太阳辐射单元、地面辐射单元、内热源单元、燃油消耗控制单元、燃油流动控制单元、惰化单元、压力控制单元和平衡温差时间常数提取单元；所述单元和单元之间的接口，通过势变量耦合在一起，通过流变量传递信息，不同单元连接处势变量相同，而流变量和为零。
进一步，所述燃油单元设置燃油入口单元和燃油出口单元；燃油入口单元分别与燃油单元和燃油流动控制单元相连，燃油出口单元分别与燃油单元和燃油消耗控制单元相连，模拟燃油在飞行包线下的消耗和油箱隔舱之间的燃油流动。
进一步，所述气体单元设置气体入口单元和气体出口单元；气体入口单元分别与气体单元和惰化单元相连，气体出口单元分别与气体单元和惰化单元相连；气体单元还与压力控制单元相连。
进一步，所述平衡温差时间常数提取单元选用非稳态模型求解燃油平均温度，得到平衡温差和热时间常数的指数公式，通过切割合适时间段，根据一维模型计算结果，推算出平衡温差和热时间常数。
进一步，对单个燃油箱进行单元划分，把油箱分为上、下、左、右、前、后六个壁面单元，油箱还包括燃油单元和气体单元；所述上、下、左、右、前、后六个壁面单元，燃油单元和气体单元的计算公式如下：
上壁面单元内置公式：
下壁面单元内置公式：
其中，Tu、Td分别为燃油箱上、下壁面温度，单位为K；ρu、ρd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cu、cd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vu、Vd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮体积，单位为m3；Qau、Qad分别为外界空气与上、下壁面对流换热热量；Qgu为油箱内油气与上壁面对流换热热量，Qld为油箱内燃油与下壁面对流换热热量，Qru为太阳对油箱上壁面辐射换热热量，单位为W；
前壁面单元内置公式：
后壁面单元内置公式：
其中，Tf、Tb分别为燃油箱前、后壁面温度，单位为K；ρf、ρb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cf、cb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vf、Vb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮体积，单位为m3；Qaf、Qab分别为外界空气与燃油箱前、后壁面之间的换热热量；Qgf、Qgb分别为燃油箱内部气体与燃油箱前、后壁面之间的换热热量；Qfuelf、Qfuelb为燃油箱内部燃油与燃油箱前、后壁面之间的换热热量，单位为W；
左壁面单元内置公式：
右壁面单元内置公式：
其中，Tl、Tr分别为燃油箱左、右壁面温度，单位为K；ρl、ρr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cl、cr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vl、Vr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮体积，单位为m3；Qfuell、Qfuelr分别为燃油与左、右壁面之间的换热热量；Qgr、Qgl分别为气体与左、右壁面之间的换热热量；Q'fuell、Q'gl为左壁面与外侧油箱内燃油和气体之间的换热热量；Q'fuelr、Q'gr为右壁面与外侧油箱内燃油、气体之间的换热热量，单位为W；
燃油单元内置公式：
其中，Tfuel为燃油箱内部燃油温度，单位为K；ρfuel为燃油箱内燃油的密度，单位为kg/m3；cfuel为燃油箱内燃油的比热容，单位为J/(kg·K)；Vfuel燃油箱内燃油体积，单位为m3；Qfueld、Qfuelf、Qfuelb分别为燃油与下、前、后壁面之间的对流换热热量；Qfuell、Qfuelr分别为燃油与左、右壁面之间的换热热量，Qgfuel为油箱内燃油与油气之间的对流传质换热热量，单位为W；Qifuel、Qofuel分别为燃油入口、出口流动带来或带走的热量；Q0为油箱内热源，单位为W；
气体单元内置公式：
其中，Tg为燃油箱内部气体的温度，单位为K；ρg为燃油箱内气体的密度，单位为kg/m3；cg为燃油箱内气体的比热容，单位为J/(kg·K)；Vg为燃油箱内气体的体积，单位为m3；Qgu、Qgf、Qgb分别为气体和上、前、后壁面之间的对流换热热量；Qgr、Qgl分别为气体与左、右壁面之间的换热热量；Qgfuel为油箱内燃油与油气之间的对流传质换热热量，单位为W；Qingas、Qoutgas分别为气体入口、出口流动带来或带走的热量，单位为W。
进一步，所述步骤(3)中，所述编写各单元内置模块的原则为：
(31)抽象定义顶层父类对象，父类对流传热对象仅具有对流的通用特性代码；
(32)由父类衍生出子类对象，子类继承了父类代码；父类之间交叉繁殖；父类对流传热对象和父类辐射传热对象繁衍出对流辐射子类对象，所述繁衍出对流辐射子类对象继承了对流传热代码和辐射传热代码。
进一步，所述步骤(4)中，所述输入对象包括外界环境、飞行包线、飞机油箱数模、气相中的连通管长度、气相中的进出口孔面积、液相中的连通管长度和气相中的进出口孔面积。
进一步，所述单个燃油箱单元包括干壁面单元和湿壁面单元；所述干壁面单元是指油箱壁面与油箱气相空间接触的单元模块；所述湿壁面单元是指油箱壁面与燃油接触的单元模块。
本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、通过不同的隔舱的拼接方式，构造出任意复杂拓扑结构的油箱，实现了建立多种机型，多种隔舱的通用模型，部件之间耦合程度低，易于解耦，建模过程灵活，易于修改；2、考虑了油箱内燃油与气体之间的传质传热，以及气相空间惰化带来的传热传质变化，建立了可靠性高，精确度高的热模型；3、实现一键计算平衡温差和时间常数，为燃油系统适航过程中蒙特卡罗分析提供关键参数；4、本发明的方法能有效地降低评估费用、缩短了评估周期，且具备良好的普适性。
附图说明
图1为本发明的总流程图；
图2为本发明的外机翼油箱热模型示意图；
其中，气动单元17为一件，与对流换热单元(9-4、9-5、9-1、9-10)示意连接，以简化连接线；惰化单元20为一件，与气体入口18和气体出口19示意连接，简化连接线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
本发明将复杂拓扑关系的燃油箱自顶而下划分为燃油箱隔舱、隔舱中的气相和油相、隔舱中的上下前后壁面、气相中的连通管、气相中的进出口孔、液相中的连通管、液气相中的进出口孔等独立的单元对象，将外界环境、飞行参数等也视为独立对象，然后通过对象组合，还原出任意复杂的多隔舱燃油箱模型，并自动完成传质传热计算，获取热时间常数和平衡温差，形成一套完整、适配性高、操作简单的方法，为燃油箱可燃性评估提供基础的输入数据。本发明的方法普适性极高，无需针对每种机型进行热模型建立。
飞机燃油箱热模型主要包括外机翼油箱、集油箱、中央翼油箱三类隔舱对象。
如图1所示为本发明的总流程图，以外机翼油箱为例，其复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法实现步骤如下：
步骤一，燃油箱热模型的功能模块划分及设计。
对燃油箱热模型的功能模块划分,需要进行所属燃油箱内影响飞机燃油箱热特性的因素分析，包括油箱内、外热源的确定等。需要明确燃油箱热模型基本假设，包括换热经验关系式的选用，油箱飞行状态变化，油量变化的设置以及燃油内部蒸发冷凝带来的传质计算。
燃油箱热模型基本假设包括将燃油视为理想不可压流体，将油气视为理想气体；将各个隔舱的油箱简化为长方体；内部供油泵、液压系统管路等内部部件简化为一个热源，直接给出生热值；忽略燃油箱内部的燃油、燃油气热辐射以及壁面间的热辐射；进行飞机燃油箱燃油油量变化的计算不考虑飞机加速飞行的影响，只考虑水平飞行零滚转角度的飞机姿态下的油量变化。
油箱内热源包括燃油箱内存在液压系统管路散热、机电系统的热载荷、滑油系统的散热以及发动机附件抽油泵等设备散热。油箱外热源来自于太阳辐射、地面辐射和蒙皮表面附面层的气动对流加热等。这些热量通过蒙皮以及油箱隔热材料传给燃油箱内部。建立热模型之前需要根据待计算油箱的实际情况来考虑此部分的热量选择。
换热经验关系式包括自然对流和强迫对流，例如惰化系统给油箱内油气一定的抽气流量，因此可以得到油气流动速度，将油气与燃油箱壁面之间的换热看成是强迫对流换热，由于燃油消耗较慢，将燃油与壁面之间的换热看成自然对流换热。空气在飞机蒙皮表面外部流动由于速度较大，可视为强迫对流换热。
通常在一个航程中，机翼油箱、中央油箱的燃油量始终随时间变化，由于油箱形状比较规则，可以简化成为一个长方体，所以根据不同油箱的结构参数和质平衡方程的求解得到燃油质量变化率可以计算出燃油高度的变化。
对流换热中的传质问题的核心在于传质系数的求解。在对流换热中，根据柯尔本类比，对流传热因子和对流传质因子相等，且等于流体摩阻的二分之一。通过计算对流换热系数，可以求解得到对流传质系数，进而求出对流传质质量变化。
油箱由若干个隔舱组成，隔舱由多个壁面和内部单元构成，单元是最小的封装对象，各种单元可拼接成为隔舱对象，隔舱相互拼接形成油箱对象。
步骤二，将复杂拓扑关系的单个燃油箱独立划分小单元，设置燃油箱各单元之间的接口。
如图2所示为外机翼复杂拓扑结构油箱热模型示意图。
独立划分的小单元除各个壁面单元、内部燃油单元和气体单元之外，还包括气动加热单元、对流换热单元、太阳辐射单元12、地面辐射单元13、内热源单元11、燃油消耗控制单元、燃油流动控制单元、惰化单元、压力控制单元和平衡温差、时间常数提取单元等。
单元和单元之间通过势变量(如温度、压力、浓度)耦合在一起，通过流变量(热量、流量、熵量)传递信息，不同单元连接处势变量相同，流变量和为零。
基于复杂拓扑关系的单个燃油箱进行单元划分：将油箱简化为长方体，油箱存在上、下、左、右、前、后六个壁面单元，油箱内还存在一个燃油单元7以及一个气体单元8。上壁面单元1仅包含一个干壁面节点，下壁面单元2仅包含一个湿壁面节点，左壁面单元3、右壁面单元4、前壁面单元5和后壁面单元6皆包含一个干壁面节点和一个湿壁面节点。壁面单元均内置多种材料热物理性质参数，如铝合金，镁合金，钛合金，以及镊钼钨等，这些热物理性质参数随温度变化以函数形式封装在单元内。
各单元的计算公式如下：
(一)上、下壁面单元
上壁面单元内置公式：
下壁面单元内置公式：
式(1)、(2)中，Tu、Td分别为燃油箱上、下壁面温度，单位为K；ρu、ρd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cu、cd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vu、Vd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮体积，单位为m3；Qau、Qad分别为外界空气与上、下壁面对流换热热量，Qgu为油箱内油气与上壁面对流换热热量，Qld为油箱内燃油与下壁面对流换热热量，Qru为太阳对油箱上壁面辐射换热热量，单位为W。
(二)前、后壁面单元
前壁面单元内置公式：
后壁面单元内置公式：
式(3)、(4)中，Tf、Tb分别为燃油箱前、后壁面温度，单位为K；ρf、ρb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cf、cb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vf、Vb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮体积，单位为m3；Qaf、Qab分别为外界空气与燃油箱前、后壁面之间的换热热量，Qgf、Qgb分别为燃油箱内部气体与燃油箱前、后壁面之间的换热热量；Qfuelf、Qfuelb为燃油箱内部燃油与燃油箱前、后壁面之间的换热热量，单位为W。
(三)左、右壁面单元
左壁面单元内置公式：
右壁面单元内置公式：
式(5)、(6)中，Tl、Tr分别为燃油箱左、右壁面温度，单位为K；ρl、ρr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cl、cr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vl、Vr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮体积，单位为m3；Qfuell、Qfuelr分别为燃油与左、右壁面之间的换热热量，Qgr、Qgl分别为气体与左、右壁面之间的换热热量，Q'fuell、Q'gl为左壁面与外侧油箱内燃油和气体之间的换热热量，Q'fuelr、Q'gr为右壁面与外侧油箱内燃油和气体之间的换热热量，单位为W。
(四)燃油单元
燃油单元内置公式：
式(7)中，Tfuel为燃油箱内部燃油温度，单位为K；ρfuel为燃油箱内燃油的密度，单位为kg/m3；cfuel为燃油箱内燃油的比热容，单位为J/(kg·K)；Vfuel燃油箱内燃油体积，单位为m3；Qfueld、Qfuelf、Qfuelb分别为燃油和下、前、后壁面之间的对流换热热量；Qfuell、Qfuelr分别为燃油与左、右壁面之间的换热热量，Qgfuel为油箱内燃油与油气之间的对流传质换热热量，单位为W；Qifuel、Qofuel分别为燃油入口、出口流动带来或带走的热量，Q0为油箱内热源，单位为W。
(五)气体单元
气体单元内置公式：
式(8)中，Tg为燃油箱内部气体的温度，单位为K；ρg为燃油箱内气体的密度，单位为kg/m3；cg为燃油箱内气体的比热容，单位为J/(kg·K)；Vg为燃油箱内气体的体积，单位为m3；Qgu、Qgf、Qgb分别为气体和上、前、后壁面之间的对流换热热量，Qgr、Qgl分别为气体与左、右壁面之间的换热热量，Qgfuel为油箱内燃油与油气之间的对流传质换热热量，单位为W；Qingas、Qoutgas分别为气体入口、出口流动带来或带走的热量，单位为W。
燃油箱上壁面分别与外界空气对流换热以及与内部油箱气体对流换热，因此上壁面单元1分别与两个对流换热单元(9-1、9-2)通过热通量连接,除此之外还应与一个太阳辐射换热单元12相连；燃油箱下壁面分别与外界空气对流换热以及与内部燃油对流换热，因此下壁面单元2分别与两个对流换热单元(9-3、9-4)相连，除此之外还应与一个地面辐射换热单元13相连。
燃油箱前壁面分别与外界空气对流换热、内部燃油对流换热以及内部气体对流换热，因此前壁面单元5分别与三个对流换热单元(9-5、9-6、9-7)通过热通量连接；燃油箱后壁面分别与外界空气对流换热、与内部燃油对流换热以及与内部气体对流换热，因此后壁面单元6分别与三个对流换热单元(9-8、9-9、9-10)通过热通量连接。
燃油箱左壁面分别与其他油箱24-1内部燃油和气体对流换热，与本油箱内部气体和燃油对流换热，因此左壁面单元3分别与四个对流换热单元(9-11、9-13、9-12、9-14)通过热通量连接；燃油箱右壁面分别与其他油箱24-2内部燃油和气体对流换热，与本油箱内部气体和燃油对流换热，因此右壁面单元4分别与四个对流换热单元(9-15、9-16、9-17、9-18)通过热通量连接。
燃油节点不仅需要与下、前、后、左、右各湿壁面节点进行对流换热，还要与上部气体节点进行对流传质换热，因此燃油单元7分别与五个对流换热单元相连(9-3、9-6、9-9、9-13、9-15)，与一个对流传质单元10相连，除此之外还要与一个燃油入口单元14、一个燃油出口单元15以及一个内热源单元11相连。燃油单元7内置多种类型燃油热物理性质参数，如国产RP3，国产RP5，Jet-A燃油等，这些热物理性质参数随温度变化以函数形式封装在单元内。
每个对流换热单元包括自然对流换热子单元和强迫对流换热子单元，可根据不同单元之间的换热关系以及换热条件选择合适的换热经验公式。
气体单元8不仅需要与上、前、后、左、右各干壁面单元进行对流换热，还要与下方燃油单元7进行对流传质换热，因此气体单元8分别与五个对流换热单元(9-2、9-7、9-8、9-14、9-18)相连，与一个对流传质单元10相连。除此之外还要与一个气体入口单元18、一个气体出口单元19相连。对流传质单元10将油箱内燃油的冷凝蒸发等相变传质带来的热量变化考虑进了热模型，提升了热模型的准确性。
气体入口单元18分别与气体单元8和惰化单元20相连，气体出口单元19分别与气体单元8和惰化单元20相连，将考虑惰化系统引起燃油箱热量变化进行计算。气体单元8还与压力控制单元21相连，用于平衡气体节点与燃油箱外界环境气压。
油箱在燃油单元7还设置燃油入口单元14和燃油出口单元15，燃油入口单元14分别与燃油单元7和燃油流动控制单元23相连，燃油出口单元15分别与燃油单元7和燃油消耗控制单元16相连，可以模拟燃油在飞行包线下的消耗和油箱隔舱之间燃油流动的问题。
由于燃油箱内存在液压系统管路、机电系统的热载荷、滑油系统的散热以及发动机附件抽油泵等设备，这些设备也会在油箱内燃油节点内部产生热源，因此设置内热源单元11进行计算；将内热源单元11与燃油单元7通过热通量接口连接。
由于飞机外部的热量来自于太阳辐射、地面辐射和蒙皮表面附面层的气动对流加热等。这些热量通过蒙皮以及油箱隔热材料传给燃油箱内部。因此设置气动加热单元17、太阳辐射单元12，以及地面辐射单元13。太阳辐射单元12与上壁面单元1连接，地面辐射单元13与下壁面单元2连接。油箱上、下、前、后壁面单元均通过对流换热单元(9-1、9-4、9-5、9-10)与气动加热单元17相连。
气动加热单元17通过外界环境和飞行包线两个对象来确定，其输出接口为气动加热后油箱壁面总温，通过对流换热单元(9-1、9-4、9-5、9-10)将气动加热热量传到燃油箱内部。
步骤三，通过软件将燃油箱各单元和接口编写好。
选用多领域统一的面向对象物理系统软件编写各单元内置模块，为了可以降低编程量，提高代码的复用性，首先抽象定义出顶层父类对象，例如父类对流传热对象仅具有对流的通用特性代码。然后，由父类衍生出子类对流传热对象，例如自然对流子类对象和强制对流子类对象，子类继承了父类代码，无需为具有共性部分重新编程。
父类之间还可以交叉繁殖，例如父类对流传热对象和父类辐射传热对象可以繁衍出对流辐射子类对象，其继承了对流传热和辐射传热代码。通过这种方式，可以保证每个单元都有父类的特征，且子类又具有多样性，编程过程灵活性提高，出错率大大降低。
通过多领域统一的面向对象物理系统软件编写各单元内置模块，将外界环境、飞行参数等也视为独立对象，然后通过对象、单元组合，像搭积木一样，可实现多隔舱机翼热燃油箱模型的搭建。
步骤四，将燃油箱各单元拼接成隔舱对象，隔舱相互拼接形成油箱对象，根据输入对象，包括飞行包线、油耗数据以及飞机数模及进行仿真计算。
燃油箱各单元拼接成隔舱有多种方式，依据油箱隔舱不同功能而定。通过不同的隔舱的拼接方式，可以构造出任意复杂拓扑结构的油箱，实现各种类机型的飞机燃油箱建模。
输入对象包括外界环境、飞行包线、飞机油箱数模、气相中的连通管长度、气相中的进出口孔面积、液相中的的连通管长度和气相中的进出口孔面积。
步骤五，自动完成传质传热计算，一键提取热时间常数和平衡温差。
时间常数和平衡温差的提取功能取决于平衡温差时间常数提取单元22的计算。平衡温差ΔT是由于热源/热沉作用造成无限长时间后燃油温度总是高于环境温度的差值，而热时间常数τ反映了燃油和固体结构热容与对流换热能力的高低。
将燃油平均温度选用一维集总参数非稳态法建立微分方程组求解，得到平衡温差和热时间常数的指数公式，通过切割合适时间段，根据一维模型计算结果就可推算出该热模型下的平衡温差和热时间常数。
综上，本发明通过基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型建立方法研究，将油箱热模型划分成不同的单元，利用对象所具有的封装、继承和多态等几个基本特性，建立部件之间耦合程度低或易于解耦的模型，建模过程灵活，易于修改，通用性好。
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 (8)
1.一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对燃油箱热模型按照功能模块进行划分和设计；
(2)将单个燃油箱划分为功能不同的单元，设置各单元之间的接口；所述单元是最小的封装对象，包括各个壁面单元、燃油单元、气体单元、气动加热单元、对流换热单元、太阳辐射单元、地面辐射单元、内热源单元、燃油消耗控制单元、燃油流动控制单元、惰化单元、压力控制单元和平衡温差时间常数提取单元；
所述单元和单元之间的接口，通过势变量耦合在一起，通过流变量传递信息，不同单元连接处势变量相同，而流变量和为零；
对单个燃油箱进行单元划分，把油箱分为上、下、左、右、前、后六个壁面单元，油箱还包括燃油单元和气体单元；所述上、下、左、右、前、后六个壁面单元，燃油单元和气体单元的计算公式如下：
上壁面单元内置公式：
下壁面单元内置公式：
其中，Tu、Td分别为燃油箱上、下壁面温度，单位为K；ρu、ρd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cu、cd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vu、Vd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮体积，单位为m3；Qau、Qad分别为外界空气与上、下壁面对流换热热量，Qgu为油箱内油气与上壁面对流换热热量，Qld为油箱内燃油与下壁面对流换热热量，Qru为太阳对油箱上壁面辐射换热热量，单位为W；
前壁面单元内置公式：
后壁面单元内置公式：
其中，Tf、Tb分别为燃油箱前、后壁面温度，单位为K；ρf、ρb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cf、cb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vf、Vb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮体积，单位为m3；Qaf、Qab分别为外界空气与燃油箱前、后壁面之间的换热热量，Qgf、Qgb分别为燃油箱内部气体与燃油箱前、后壁面之间的换热热量，Qfuelf、Qfuelb为燃油箱内部燃油与燃油箱前、后壁面之间的换热热量，单位为W；
左壁面单元内置公式：
右壁面单元内置公式：
其中，Tl、Tr分别为燃油箱左、右壁面温度，单位为K；ρl、ρr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cl、cr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vl、Vr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮体积，单位为m3；Qfuell、Qfuelr分别为燃油与左、右壁面之间的换热热量，Qgr、Qgl分别为气体与左、右壁面之间的换热热量，Q'fuell、Q'gl为左壁面与外侧油箱内燃油和气体之间的换热热量，Q'fuelr、Q'gr为右壁面与外侧油箱内燃油、气体之间的换热热量，单位为W；
燃油单元内置公式：
其中，Tfuel为燃油箱内部燃油温度，单位为K；ρfuel为燃油箱内燃油的密度，单位为kg/m3；cfuel为燃油箱内燃油的比热容，单位为J/(kg·K)；Vfuel燃油箱内燃油体积，单位为m3；Qfueld、Qfuelf、Qfuelb分别为燃油与下、前、后壁面之间的对流换热热量；Qfuell、Qfuelr分别为燃油与左、右壁面之间的换热热量，Qgfuel为油箱内燃油与油气之间的对流传质换热热量，Qifuel、Qofuel分别为燃油入口、出口流动带来或带走的热量，Q0为油箱内热源，单位为W；
气体单元内置公式：
其中，Tg为燃油箱内部气体的温度，单位为K；ρg为燃油箱内气体的密度，单位为kg/m3；cg为燃油箱内气体的比热容，单位为J/(kg·K)；Vg为燃油箱内气体的体积，单位为m3；Qgu、Qgf、Qgb分别为气体与上、前、后壁面之间的对流换热热量，Qgr、Qgl分别为气体与左、右壁面之间的换热热量，Qgfuel为油箱内燃油与油气之间的对流传质换热热量，Qingas、Qoutgas分别为气体入口、出口流动带来或带走的热量，单位为W；
(3)通过面向对象物理系统软件编写各单元内置模块，将各单元和接口封装；
(4)将各单元拼接成隔舱对象，隔舱对象相互拼接形成目标油箱对象，根据输入对象进行仿真计算；
(5)自动完成传质传热计算，一键提取时间常数和平衡温差。
2.根据权利要求1所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述功能模块包括燃油箱内热源和燃油箱外热源；燃油箱内热源包括燃油箱内液压系统管路散热、机电系统的热载荷、滑油系统的散热和发动机附件抽油泵散热；燃油箱外热源来自于太阳辐射、地面辐射和蒙皮表面附面层的气动对流加热；
所述燃油箱由若干个长方体的隔舱组成，每件隔舱由壁面、燃油单元和气体单元构成。
3.根据权利要求1所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述燃油单元设置燃油入口单元和燃油出口单元；燃油入口单元分别与燃油单元和燃油流动控制单元相连，燃油出口单元分别与燃油单元和燃油消耗控制单元相连，模拟燃油在飞行包线下的消耗和油箱隔舱之间的燃油流动。
4.根据权利要求1所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述气体单元设置气体入口单元和气体出口单元；气体入口单元分别与气体单元和惰化单元相连，气体出口单元分别与气体单元和惰化单元相连；气体单元还与压力控制单元相连。
5.根据权利要求1所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述平衡温差时间常数提取单元选用非稳态模型求解燃油平均温度，得到平衡温差和热时间常数的指数公式，通过切割合适时间段，根据一维模型计算结果，推算出平衡温差和热时间常数。
6.根据权利要求1所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述编写各单元内置模块的原则为：
(31)抽象定义顶层父类对象，父类对流传热对象仅具有对流的通用特性代码；
(32)由父类衍生出子类对象，子类继承了父类代码；父类之间交叉繁殖；父类对流传热对象和父类辐射传热对象繁衍出对流辐射子类对象，所述繁衍出对流辐射子类对象继承了对流传热代码和辐射传热代码。
7.根据权利要求1所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述输入对象包括外界环境、飞行包线、飞机油箱数模、气相中的连通管长度、气相中的进出口孔面积、液相中的连通管长度和气相中的进出口孔面积。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述单个燃油箱包括干壁面单元和湿壁面单元；所述干壁面单元是指油箱壁面与油箱气相空间接触的单元模块；所述湿壁面单元是指油箱壁面与燃油接触的单元模块。
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