CN113792431B - 一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真方法，属于发动机冷却系统领域。本方法步骤为：步骤一、搭建发动机舱室冷却系统仿真模型，步骤二、给元件分配子模型，步骤三、设置各个元器件的属性，步骤四、AMEsim运行仿真。本发明基于AMEsim软件建立了发动机舱室冷却系统的仿真模型，能够针对不同飞行包线下的发动机舱室进行冷却仿真；本发明能够对发动机舱室的热载荷参数设定；本发明提供的基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真方法能够作为基准方法，后期用户可根据需要对系统元件进行二次开发。

Description

一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真方法
技术领域
本发明属于发动机冷却系统领域，具体涉及一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统及其方法。
背景技术
现有发动机舱室冷却系统主要包括燃油系统、引气控制系统、空气循环冷却系统等。目前针对发动机舱室冷却系统的研究主要通过开展相关地面试验或者数值仿真的方法进行验证，地面试验耗时、耗力、耗财，而数值仿真作为一种能够有效降低研发周期，节省研发成本的研究方法，越来越受到重视。常用的CFD数值仿真软件由于发动机舱室模型尺寸及结构复杂度较大，使得网格划分及计算的时间过长，此外，若为减少计算量过度的简化模型，必然导致计算结果的可信度降低，针对发动机舱室冷却系统的仿真工作，除CFD仿真软件外，还有Flowmaster、MATLAB、AMEsim软件等。其中西门子公司的AMEsim软件作为汽车、航空、电力等行业的专业仿真软件，有望在发动机舱室冷却系统仿真领域得到应用。现有发动机舱室冷却系统仿真存在的问题是，各个单位采用的仿真工具、仿真方法及系统模型各不相同，使得系统仿真的通用性较差，而且不同的软件仿真结果差异巨大。
发明内容
针对目前发动机舱室冷却系统仿真存在的问题，本发明开发了一种基于AMEsim软件模拟的发动机舱室冷却系统仿真模型，详细地给出了发动机舱室冷却系统仿真模型的结构，为发动机舱室冷却系统仿真、计算提供了一种通用、准确、便捷的方法，为模拟发动机舱室冷却系统的进一步开发和完善奠定了基础。基于该目的，本发明采用的技术方案如下：
步骤一、搭建发动机舱室冷却系统仿真模型
发动机舱室冷却系统仿真模型包括换热器热源入口参数源1、空气-空气散热器2、管道3、燃油-空气散热器4、制冷涡轮5、转动部件6、发动机舱室7、温度传感器8、控制阀9、出口参数源10、总温元件11、总压元件12、常数元件13、静压元件14、信号混合模型15、换热器冷源入口参数源16、换热器出口参数源17、流量元件18、油箱19、静温元件20、辐射换热元件21、对流换热元件22、速度元件23、发动机蒙皮24、导热系数元件25、蒙皮固体层26、接点27和热功率元件28。
其中，空气-空气散热器2、燃油-空气散热器4、制冷涡轮5、发动机舱室7、温度传感器8、控制阀9、出口参数源10依次相连，空气-空气散热器2、燃油-空气散热器4、制冷涡轮5相连的管路上设置管道3；静温元件20与出口参数源10的T接口相连，静压元件14与出口参数源10的P接口相连，常数元件13、信号混合模型15、出口参数源10的X接口依次相连；换热器热源入口参数源1、换热器冷源入口参数源16、换热器出口参数源17分别与空气-空气散热器2相连；总温元件11与换热器热源入口参数源1的T接口相连，总压元件12与换热器热源入口参数源1的P接口相连，常数元件13、信号混合模型15、换热器热源入口参数源1的X接口依次相连；总温元件11与换热器冷源入口参数源16的T接口相连，静压元件14与换热器冷源入口参数源16的P接口相连，常数元件13、信号混合模型15、换热器冷源入口参数源16的接口X依次相连；常数元件13与换热器出口参数源17的T接口相连，静压元件14与换热器出口参数源17的P接口相连，常数元件13、信号混合模型15、换热器出口参数源17的X接口依次相连；流量元件18、管道3、燃油-空气散热器4依次相连；油箱19、管道3、燃油-空气散热器4依次相连；静温元件20、常数元件13、温度传感器8、辐射换热元件21依次相连；总温元件11、常数元件13、温度传感器8、对流换热元件22依次相连；发动机蒙皮24、导热系数元件25、蒙皮固体层26、对流换热元件22依次相连；常数元件13、热功率元件28依次相连；辐射换热元件21、对流换热元件22、发动机蒙皮24通过接点27相连；热功率元件28、对流换热元件22、发动机舱7通过接点27相连；转动部件6设置于制冷涡轮5上；控制阀9上设置常数元件13；速度元件23与对流换热元件22相连。
步骤二、给元件分配子模型
利用AMEsim的Submodel模式，使用Premier submodel功能赋予每个元件子模型。
步骤三、设置各个元器件的属性
利用Parameter进行参数设置。换热器热源入口参数源1采用AMEsim的默认值；空气-空气散热器2设置换热器体积、热效率；管道3设置管径、管长；燃油-空气散热器4设置换热器体积、热效率；制冷涡轮5设置当量面积、流量系数、转数误差修正、流量误差修正；转动部件6设置轴转速、转动惯量、粘性摩擦系数、静摩擦力矩；发动机舱室7设置舱室体积；温度传感器8采用AMEsim的默认值；控制阀9设置流量系数、最大开度面积；出口参数源10采用AMEsim的默认值；总温元件11设置总温、总压元件12设置总压；常数元件13根据需求给定常数；静压元件14设置静压；信号混合模型15采用AMEsim的默认值；换热器冷源入口参数源16采用AMEsim的默认值；换热器出口参数源17采用AMEsim的默认值；流量元件18设置流量和温度；油箱19设置压力和温度；静温元件20设置静温；辐射换热元件21设置面积、吸收率、发射率；对流换热元件22设置换热面积、长度、角度；速度元件23设置速度；发动机蒙皮24设置体积；导热系数元件25设置面积、导热系数；蒙皮固体层26设置质量；接点27采用AMEsim的默认值；热功率元件28采用AMEsim的默认值。
步骤四、AMEsim运行仿真
利用Simulation模式，进入仿真模式，设置运行参数(通常采用默认值)，后开始仿真。
进一步地，用于冷却发动机舱室的气源来自于高压压气机及冲压发动机进气道，具体引气位置通过温度值(包括静温SAT、总温TAT)，压力值(包括静压SAP、总压TAP)的设置体现；
进一步地，蒙皮气动热源包括总温元件11、常数元件13、温度传感器8、对流换热元件22、速度元件23；辐射热源包括常数元件13、温度传感器8、辐射换热元件21；发动机筒体热源包括常数元件13、热功率元件28；
进一步地，所述空气-空气散热器2，燃油-空气散热器4，制冷涡轮5，发动机舱7，热功率元件28，可根据用户设定的数值进行设定、计算。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明基于AMEsim软件建立了发动机舱室冷却系统的仿真模型，能够针对不同飞行包线下的发动机舱室进行冷却仿真；
(2)本发明能够对发动机舱室的热载荷参数设定；
(3)本发明提供的基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真方法能够作为基准方法，后期用户可根据需要对系统元件进行二次开发。
附图说明
图1是本发明开发的基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真模型图；
图中，1-换热器热源入口参数源，2-空气-空气散热器，3-管道，4-燃油-空气散热器，5-制冷涡轮，6-转动部件，7-发动机舱室，8-温度传感器，9-控制阀，10-出口参数源，11-总温元件，12-总压元件，13-常数元件，14-静压元件，15-信号混合模型，16-换热器冷源入口参数源，17-换热器出口参数源，18-流量元件，19-油箱，20-静温元件，21-辐射换热元件，22-对流换热元件，23-速度元件，24-发动机蒙皮，25-导热系数元件，26-蒙皮固体层，27-接点，28-热功率元件。图中T代表温度，P代表压力，X代表组分种类。
具体实施方式
下面结合实施例以及附图对本发明作进一步描述：
实施例1
如图1所示，一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真模型及方法，包括换热器热源入口参数源1，空气-空气散热器2，管道3，燃油-空气散热器4，制冷涡轮5，转动部件6，发动机舱室7，温度传感器控制阀8，控制阀9，出口参数源10，总温元件11，总压元件12，常数元件13，静压元件14，信号混合模型15，换热器冷源入口参数源16，换热器出口参数源17，流量元件18，油箱19，静温元件20，辐射换热元件21，对流换热元件22，速度元件23，发动机蒙皮24，导热系数元件25，蒙皮固体层26，接点27，热功率元件28。
如图1所示，从发动机高压压气机引出的高压高温气体经空气-空气换热器初步冷却后进入燃油-空气换热器进一步冷却，最后经涡轮膨胀降温后进入发动机舱室，将发动机筒体、蒙皮气动热及辐射输入的热量带走后排入外界大气。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是，本实施例中，发动机舱室冷却系统的气源来自于冲压发动机进气道中的冲压空气(简称冲压空气)，冲压空气直接经过燃油-空气换热器进行冷却，此时系统中的空气-空气换热器不工作，因此在计算过程中，在冲压发动机工作阶段，将其换热效率设置为0。具体结构如下：
如图1所示，一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真模型及方法，包括换热器热源入口参数源1，空气-空气散热器2，管道3，燃油-空气散热器4，制冷涡轮5，转动部件6，发动机舱室7，温度传感器控制阀8，控制阀9，出口参数源10，总温元件11，总压元件12，常数元件13，静压元件14，信号混合模型15，换热器冷源入口参数源16，换热器出口参数源17，流量元件18，油箱19，静温元件20，辐射换热元件21，对流换热元件22，速度元件23，发动机蒙皮24，导热系数元件25，蒙皮固体层26，接点27，热功率元件28。
如图1所示，冲压空气经空气-空气换热器进入燃油-空气换热器冷却后，经涡轮膨胀进一步降温，随后进入发动机舱室，将发动机筒体、蒙皮气动热及辐射输入的热量带走后排入外界大气。

Claims (4)

1.一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、搭建发动机舱室冷却系统仿真模型
发动机舱室冷却系统仿真模型包括换热器热源入口参数源(1)、空气-空气散热器(2)、管道(3)、燃油-空气散热器(4)、制冷涡轮(5)、转动部件(6)、发动机舱室(7)、温度传感器(8)、控制阀(9)、出口参数源(10)、总温元件(11)、总压元件(12)、常数元件(13)、静压元件(14)、信号混合模型(15)、换热器冷源入口参数源(16)、换热器出口参数源(17)、流量元件(18)、油箱(19)、静温元件(20)、辐射换热元件(21)、对流换热元件(22)、速度元件(23)、发动机蒙皮(24)、导热系数元件(25)、蒙皮固体层(26)、接点(27)和热功率元件(28)；
其中，空气-空气散热器(2)、燃油-空气散热器(4)、制冷涡轮(5)、发动机舱室(7)、温度传感器(8)、控制阀(9)、出口参数源(10)依次相连，空气-空气散热器(2)、燃油-空气散热器(4)、制冷涡轮(5)相连的管路上设置管道(3)；静温元件(20)与出口参数源(10)的T接口相连，静压元件(14)与出口参数源(10)的P接口相连，常数元件(13)、信号混合模型(15)、出口参数源(10)的X接口依次相连；换热器热源入口参数源(1)、换热器冷源入口参数源(16)、换热器出口参数源(17)分别与空气-空气散热器(2)相连；
总温元件(11)与换热器热源入口参数源(1)的T接口相连，总压元件(12)与换热器热源入口参数源(1)的P接口相连，常数元件(13)、信号混合模型(15)、换热器热源入口参数源(1)的X接口依次相连；总温元件(11)与换热器冷源入口参数源(16)的T接口相连，静压元件(14)与换热器冷源入口参数源(16)的P接口相连，常数元件(13)、信号混合模型(15)、换热器冷源入口参数源(16)的接口X依次相连；常数元件(13)与换热器出口参数源(17)的T接口相连，静压元件(14)与换热器出口参数源(17)的P接口相连，常数元件(13)、信号混合模型(15)、换热器出口参数源(17)的X接口依次相连；流量元件(18)、管道(3)、燃油-空气散热器(4)依次相连；油箱(19)、管道(3)、燃油-空气散热器(4)依次相连；静温元件(20)、常数元件(13)、温度传感器(8)、辐射换热元件(21)依次相连；总温元件(11)、常数元件(13)、温度传感器(8)、对流换热元件(22)依次相连；发动机蒙皮(24)、导热系数元件(25)、蒙皮固体层(26)、对流换热元件(22)依次相连；常数元件(13)、热功率元件(28)依次相连；辐射换热元件(21)、对流换热元件(22)、发动机蒙皮(24)通过接点(27)相连；热功率元件(28)、对流换热元件(22)、发动机舱7通过接点(27)相连；转动部件(6)设置于制冷涡轮(5)上；控制阀(9)上设置常数元件(13)；速度元件(23)与对流换热元件(22)相连；
步骤二、给元件分配子模型
利用AMEsim的Submodel模式，使用Premier submodel功能赋予每个元件子模型；
步骤三、设置各个元器件的属性
利用Parameter进行参数设置；换热器热源入口参数源(1)采用AMEsim的默认值；空气-空气散热器(2)设置换热器体积、热效率；管道(3)设置管径、管长；燃油-空气散热器(4)设置换热器体积、热效率；制冷涡轮(5)设置当量面积、流量系数、转数误差修正、流量误差修正；转动部件(6)设置轴转速、转动惯量、粘性摩擦系数、静摩擦力矩；发动机舱室(7)设置舱室体积；
温度传感器(8)采用AMEsim的默认值；控制阀(9)设置流量系数、最大开度面积；出口参数源(10)采用AMEsim的默认值；总温元件(11)设置总温、总压元件(12)设置总压；常数元件(13)根据需求给定常数；静压元件(14)设置静压；信号混合模型(15)采用AMEsim的默认值；换热器冷源入口参数源(16)采用AMEsim的默认值；换热器出口参数源(17)采用AMEsim的默认值；流量元件(18)设置流量和温度；油箱(19)设置压力和温度；静温元件(20)设置静温；辐射换热元件(21)设置面积、吸收率、发射率；对流换热元件(22)设置换热面积、长度、角度；速度元件(23)设置速度；发动机蒙皮(24)设置体积；导热系数元件(25)设置面积、导热系数；蒙皮固体层(26)设置质量；接点(27)采用AMEsim的默认值；热功率元件(28)采用AMEsim的默认值；
步骤四、AMEsim运行仿真
利用Simulation模式，进入仿真模式，设置运行参数，后开始仿真。
2.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真方法，其特征在于，用于冷却发动机舱室的气源来自于高压压气机及冲压发动机进气道，具体引气位置通过温度值、压力值的设置体现。
3.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真方法，其特征在于，蒙皮气动热源包括总温元件(11)、常数元件(13)、温度传感器(8)、对流换热元件(22)、速度元件(23)；辐射热源包括常数元件(13)、温度传感器(8)、辐射换热元件(21)；发动机筒体热源包括常数元件(13)、热功率元件(28)。
4.根据权利要求1所述的一种基于AMEsim的发动机舱室冷却系统仿真方法，其特征在于，所述空气-空气散热器(2)，燃油-空气散热器(4)，制冷涡轮(5)，发动机舱7，热功率元件(28)，根据用户设定的数值进行设定、计算。
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