CN113465236B - 一种环控热管理系统简化建模方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于飞机能量管理技术领域，涉及一种环控热管理系统简化建模方法。该方法包括：将综合环控及热管理系统划分为空气循环制冷子系统、蒸发循环制冷子系统、高温液冷循环子系统、低温液冷循环子系统以及燃油循环子系统，各子系统间通过换热器进行耦合；在各子系统间的换热器处断开，从而对各子系统分别进行建模，其中，所述空气循环制冷子系统与所述蒸发循环制冷子系统采用响应面代理模型进行简化；将各子系统模型间的换热器进行耦合连接，搭建综合环控及热管理系统模型；输入飞行工况，进行仿真计算。本申请以子系统间换热器进行耦合，形成大系统的简化模型，有效提升了计算效率，同时保证了计算结果的准确性。

Description

一种环控热管理系统简化建模方法
技术领域
本申请属于飞机能量管理技术领域，特别涉及一种环控热管理系统简化建模方法。
背景技术
飞行器环境控制及热管理系统是重要机载系统之一，起到保障乘员安全和设备可靠工作的作用，为座舱提供冷量，并同时以空气为冷却介质为一部分小功率电子设备提供冷量。随着航空技术的发展，飞机能以更高的速度、在更宽的高度范围内飞行，因此飞机将面临更严苛的飞行环境，综合环控及热管理系统也将面临更为复杂的外部条件。
采用仿真手段是研究综合环控及热管理系统的常用手段。对于简单的热力系统，通过联立系统中各个部件的所有特征方程，求解方程组，获得系统各点的空气状态参数。但对于综合环控及热管理系统，其部件较多，结构比较复杂。系统中包含十余个部件和状态点，每个状态点又包含温度、压力、含湿量、比焓等参数；同时还包括空气、冷却液的物性参数计算方程、模块及部件特征方程、连接方程及其他设计约束方程等，且其中一部分是非线性方程，方程类型较多，求解复杂。因此，直接采用联立方程的方法进行仿真存在求解困难，耗费时间长等问题，因此部分研究者提出采用神经网络方法等数据拟合建模方法，但这种方法需要大量的试验数据，在训练数据外的精度难以保证。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种环控热管理系统简化建模方法，在保证仿真计算精度的前提下，提升计算效率，该简化建模方法主要包括：
步骤S1、将综合环控及热管理系统划分为空气循环制冷子系统、蒸发循环制冷子系统、高温液冷循环子系统、低温液冷循环子系统以及燃油循环子系统，各子系统间通过换热器进行耦合；
步骤S2、在各子系统间的换热器处断开，从而对各子系统分别进行建模，其中，所述空气循环制冷子系统与所述蒸发循环制冷子系统采用响应面代理模型进行简化；
步骤S3、将各子系统模型间的换热器进行耦合连接，搭建综合环控及热管理系统模型；
步骤S4、输入飞行工况，进行仿真计算。
优选的是，步骤S1中，所述空气循环制冷子系统包括：冲压空气换热器HX1、压气机C1、冲压空气换热器HX2、气液换热器HX3、涡轮T1、气液换热器HX4。
优选的是，步骤S2中，对所述空气循环制冷子系统采用响应面代理模型进行简化包括：
以飞行高度、飞行马赫数、供气压力、高温液冷循环流量、气液换热器两侧入口温度为自变量，以气液换热器热载荷、气液换热器两侧出口温度为响应，采用拉丁超立方试验设计方法选择样本点进行仿真计算，构造二阶响应面代理模型。
优选的是，步骤S2中，构造二阶响应面代理模型包括：
Figure BDA0003060809510000021
其中，xi为自变量，βi为模型待定系数，y为模型响应，n为自变量总数，上标^表示该参数为估计值。
优选的是，步骤S1中，所述蒸发循环制冷子系统包括：冷凝器、蒸发器、压缩机C2、膨胀阀。
优选的是，步骤S2中，对所述蒸发循环制冷子系统采用响应面代理模型进行简化包括：
以蒸发温度、冷凝温度和压缩机转速为自变量，以蒸发器、冷凝器出口温度为响应，采用拉丁超立方试验设计方法选择样本点进行仿真计算，构造二阶响应面代理模型。
优选的是，步骤S1中，所述低温液冷子系统：包括液冷设备、气液换热器HX4、蒸发器、液冷泵。
优选的是，步骤S1中，所述高温液冷子系统包括：气液换热器HX3、冷凝器、循环泵、液体-燃油换热器HX5。
优选的是，步骤S1中，所述燃油循环系统包括：液体-燃油换热器HX5、油箱、冲压空气换热器HX7、机载设备换热器HX6。
本申请通过分析热管理系统模型发现，混合气体模型部分(即空气循环制冷子系统)以及两相流模型部分(即蒸发循环子系统)是对仿真计算性能影响最大的子系统。本发明通过将系统划分为若干的功能子系统，对空气循环制冷子系统和蒸发循环制冷系统采用响应面代理模型进行简化，其余子系统采用经典模块法进行建模。以子系统间换热器进行耦合，形成大系统的简化模型，有效提升了计算效率，同时保证了计算结果的准确性。
附图说明
图1是本申请环控热管理系统简化建模方法的流程图。
图2是综合环控及热管理系统结构图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本发明提出了一种环控热管理系统简化建模方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、将综合环控及热管理系统划分为空气循环制冷子系统、蒸发循环制冷子系统、高温液冷循环子系统、低温液冷循环子系统以及燃油循环子系统，各子系统间通过换热器进行耦合；
步骤S2、在各子系统间的换热器处断开，从而对各子系统分别进行建模，其中，所述空气循环制冷子系统与所述蒸发循环制冷子系统采用响应面代理模型进行简化；
步骤S3、将各子系统模型间的换热器进行耦合连接，搭建综合环控及热管理系统模型；
步骤S4、输入飞行工况，进行仿真计算。
以下详细说明。
首先参考图2，本申请在步骤S1中，根据系统结构，将综合环控及热管理系统按照功能划分为空气循环制冷子系统、蒸发循环制冷子系统、高温液冷循环子系统、低温液冷循环子系统以及燃油循环子系统，各子系统间通过换热器进行耦合。空气循环制冷子系统S1包括图2中的冲压空气换热器HX1、压气机C1、冲压空气换热器HX2、气液换热器HX3、涡轮T1、气液换热器HX4；蒸发循环制冷子系统S2包括冷凝器、蒸发器、压缩机C2、膨胀阀；低温液冷子系统S3包括液冷设备、气液换热器HX4、蒸发器、液冷泵；高温液冷子系统S4包括气液换热器HX3、冷凝器、循环泵、液体-燃油换热器HX5；燃油循环系统S5包括液体-燃油换热器HX5、油箱、冲压空气换热器HX7、机载设备换热器HX6。
之后，在子系统间的换热器处断开，对各个子系统进行建模。其中，空气循环制冷子系统和蒸发循环制冷系统采用响应面代理模型进行简化，其余子系统采用经典模块法进行建模。
本实施例中，耦合换热器包括图2中的气液换热器HX3、气液换热器HX4、液体-燃油换热器HX5、蒸发器、冷凝器。
对于空气循环制冷子系统，以飞行高度、飞行马赫数、供气压力、高温液冷循环流量、气液换热器两侧入口温度为自变量，以气液换热器热载荷、气液换热器两侧出口温度为响应，采用拉丁超立方试验设计方法选择样本点进行仿真计算，构造二阶响应面代理模型，其表达式为：
Figure BDA0003060809510000041
其中，xi为自变量，βi为模型待定系数，y为模型响应，n为自变量总数，上标^表示该参数为估计值。
对于蒸发循环制冷子系统，以蒸发温度、冷凝温度和压缩机转速为自变量，以蒸发器、冷凝器出口温度为响应，构造采用拉丁超立方试验设计方法选择样本点进行仿真计算，构造二阶响应面代理模型，模型表达式同上。
之后，将各子系统模型间的耦合换热器进行连接，搭建综合环控及热管理系统模型。
最后，根据实际要求输入飞行工况，进行仿真计算。
本发明具有如下优点：
1)本发明所述的简化建模方法可大幅降低仿真计算所需时间。在综合环控及热管理系统的仿真过程中，将空气循环制冷子系统及蒸发循环制冷子系统这两个计算最复杂的部分用响应面代理模型进行替代，可以大幅缩短仿真计算所需的时间。
2)本发明所述的简化建模方法计算精度高。优选空气循环制冷子系统及蒸发循环制冷子系统的响应面代理模型的自变量，采用仿真/试验数据进行构造，可以有效保障各模型的准确性。
3)本发明所述的简化建模方法计算比较简便，易于构造实现，可应用于系统仿真计算、优化设计等任务中，提升计算效率。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种环控热管理系统简化建模方法，其特征在于，包括：
步骤S1、将综合环控及热管理系统划分为空气循环制冷子系统、蒸发循环制冷子系统、高温液冷循环子系统、低温液冷循环子系统以及燃油循环子系统，各子系统间通过换热器进行耦合；
步骤S2、在各子系统间的换热器处断开，从而对各子系统分别进行建模，其中，所述空气循环制冷子系统与所述蒸发循环制冷子系统采用响应面代理模型进行简化；
步骤S3、将各子系统模型间的换热器进行耦合连接，搭建综合环控及热管理系统模型；
步骤S4、输入飞行工况，进行仿真计算。
2.如权利要求1所述的环控热管理系统简化建模方法，其特征在于，步骤S1中，所述空气循环制冷子系统包括：冲压空气换热器（ HX1） 、压气机（ C1） 、冲压空气换热器（ HX2）、气液换热器（ HX3） 、涡轮（ T1） 、气液换热器（ HX4） 。
3.如权利要求2所述的环控热管理系统简化建模方法，其特征在于，步骤S2中，对所述空气循环制冷子系统采用响应面代理模型进行简化包括：
以飞行高度、飞行马赫数、供气压力、高温液冷循环流量、气液换热器两侧入口温度为自变量，以气液换热器热载荷、气液换热器两侧出口温度为响应，采用拉丁超立方试验设计方法选择样本点进行仿真计算，构造二阶响应面代理模型。
4.如权利要求3所述的环控热管理系统简化建模方法，其特征在于，步骤S2中，构造二阶响应面代理模型包括：
Figure FDA0003060809500000011
其中，xi为自变量，βi为模型待定系数，y为模型响应，n为自变量总数，上标^表示该参数为估计值。
5.如权利要求1所述的环控热管理系统简化建模方法，其特征在于，步骤S1中，所述蒸发循环制冷子系统包括：冷凝器、蒸发器、压缩机（ C2） 、膨胀阀。
6.如权利要求5所述的环控热管理系统简化建模方法，其特征在于，步骤S2中，对所述蒸发循环制冷子系统采用响应面代理模型进行简化包括：
以蒸发温度、冷凝温度和压缩机转速为自变量，以蒸发器、冷凝器出口温度为响应，采用拉丁超立方试验设计方法选择样本点进行仿真计算，构造二阶响应面代理模型。
7.如权利要求1所述的环控热管理系统简化建模方法，其特征在于，步骤S1中，所述低温液冷子系统：包括液冷设备、气液换热器（ HX4） 、蒸发器、液冷泵。
8.如权利要求1所述的环控热管理系统简化建模方法，其特征在于，步骤S1中，所述高温液冷子系统包括：气液换热器（ HX3） 、冷凝器、循环泵、液体-燃油换热器（ HX5） 。
9.如权利要求1所述的环控热管理系统简化建模方法，其特征在于，步骤S1中，所述燃油循环子 系统包括：液体-燃油换热器（ HX5） 、油箱、冲压空气换热器（ HX7） 、机载设备换热器（ HX6） 。
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