飞行器能源与热管理系统中多能流统一建模与分析方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28427

流体力学与飞行力学

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飞行器能源与热管理系统中多能流统一建模与分析方法

滕润航¹, 贺克伦¹, 赵甜¹, 於萧萧², 于喜奎², 徐向华¹, 梁新刚¹, 陈群¹()

^1.清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084
^2.沈阳飞机设计研究所，沈阳 110035

收稿日期:2022-12-26 修回日期:2023-02-01 接受日期:2023-04-03 出版日期:2023-10-15 发布日期:2023-04-21
通讯作者: 陈群 E-mail:chenqun@tsinghua.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52125604)

Unified modeling and analysis method of multi-energy flow for aircraft energy and thermal management system

Runhang TENG¹, Kelun HE¹, Tian ZHAO¹, Xiaoxiao YU², Xikui YU², Xianghua XU¹, Xingang LIANG¹, Qun CHEN¹()

^1.Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education，Department of Engineering Mechanics，Tsinghua University，Beijing 100084，China
^2.Shenyang Aircraft Design & Research Institute，Shenyang 110035，China

Received:2022-12-26 Revised:2023-02-01 Accepted:2023-04-03 Online:2023-10-15 Published:2023-04-21
Contact: Qun CHEN E-mail:chenqun@tsinghua.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52125604)

摘要/Abstract

摘要：

能源与热管理系统的综合集成优化设计是充分提升飞行器性能的关键技术之一。然而，由于热管理、电源等子系统的传统分析方法存在差异，导致整体集成设计的复杂度大。基于热力系统分析的热量流法，建立了电量、热量、工质的规范化传输网络模型，提出了热管理、电源等子系统间的数据交互方法，形成了飞行器能源与热管理系统的整体建模分析方法。计算结果表明，该方法在确保准确性的前提下，计算耗时比商业软件AMESim低近2个数量级。通过对给定飞行剖面的系统进行变工况仿真，计算出了在满足温控的需求下，单次任务目标所需的相变工质携带量为348.8 kg，机载蓄电池所需的最低初始电量和容量为1 837、3 158 W∙h。因此，所提出的方法可用于飞行器轻量化的定量优化。

关键词: 能源与热管理系统, 整体分析, 图论, 传输网络模型, 热量流法

Abstract:

The integrated optimization of energy and thermal management system is one of the key technologies in aircraft performance improvement. However， due to the differences in traditional analysis methods of thermal management， power supply and other subsystems， the overall integration analysis is too complicated to conduct. Based on the heat current method of thermal system analysis， this paper establishes the standardized transmission network model of electric， heat and working medium， and proposes the data interaction method between the subsystems of thermal management and power supply， forming an overall modeling and analysis method for the energy and thermal management system of aircraft. The same system is also computationally tested on AMESim. Calculation results show that the calculation time of the newly proposed method is nearly 2 orders of magnitude lower than that of the commercial software AMESim on the premise of ensuring the accuracy. Through the variable condition simulation of the system with a given flight profile， it is calculated that under the requirement of temperature control， the carrying capacity of the phase change working medium required by a single mission target is calculated to be 348.8 kg， and the minimum initial power and capacity required by the airborne battery are 1 837 and 3 158 W∙h， repsectively. In conclusion， the proposed method can be used for quantitative lightweight optimization of aircraft.

Key words: energy and thermal management system, overall analysis, graph theory, transmission network model, heat current method

中图分类号:

V245

滕润航, 贺克伦, 赵甜, 於萧萧, 于喜奎, 徐向华, 梁新刚, 陈群. 飞行器能源与热管理系统中多能流统一建模与分析方法[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 128427-128427.

Runhang TENG, Kelun HE, Tian ZHAO, Xiaoxiao YU, Xikui YU, Xianghua XU, Xingang LIANG, Qun CHEN. Unified modeling and analysis method of multi-energy flow for aircraft energy and thermal management system[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(19): 128427-128427.

图/表 17

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表1

各物理过程约束方程中的系数矩阵

系数矩阵	电机	管道	离心泵	换热器换热过程	两股流混合过程	单股流加热过程
$F$	$1$	$1$	$1$	$100010001$	$1001$	$1000$
$H$	$- r + P i k 2$	$- 12 f m ˙ k ρ A 2 ⋅ L D + ζ$	$- a 1 ω ρ g ρ + a 2 g m ˙ k ρ$	$00 - 1 G 1 00 1 G 2 00 - R h$	$0 2 × 2$	$0 1 G 1 01$
$J$	$0 1 × 2$	$0 1 × 2$	$0 1 × 2$	$0 3 × 4$	$- G 1 G 1 + G 2 G 2 G 1 + G 2 0 G 1 G 1 + G 2 - G 1 G 1 + G 2 0$	$0 2 × 2$
$Ω s$	$2 P i k$	$0$	$0$	$0 1 × 3$	$0 1 × 2$	$0 Q s$
$Φ s$	$0$	$0$	$a 0 ω 2 ρ g$	$0 1 × 3$	$0 1 × 2$	$0 1 × 2$

表1

图 9

表2

表3

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

参考文献 30

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

部件类型	能量流模型	AMESim对比模型
换热器	通过热阻计算，考虑了两侧流体的流速变化对传热的影响。	采用ε-NTU法并固定换热器效能，忽略两侧流体流速变化的影响。
离心泵	压差表示为体积流量、泵转速和流体密度的函数；考虑机械效率引起的发热。	压差表示为体积流量、泵转速的函数；忽略机械效率引起的发热。
容积泵	考虑机械效率引起的发热。	忽略机械效率引起的发热。
调节阀	压差表示为阀门开度、体积流量和流体密度的函数。	体积流量表示为阀门开度、压差的函数。
压气机/涡轮	基于弗留格尔公式^［30］的通流系数模型。	构建增压比、相对内效率（绝热效率）与修正质量流量、修正转速函数关系的模型。
多支路连接节点	节点连接的各条支路相互等价，后续通过整体迭代计算节点变量。	需要事先指定一条主要支路，该支路在流程中的计算结果作为节点变量的计算结果。

计算参数	数值		偏差/%
计算参数	多能流整体求解算法	AMESim	偏差/%
计算时间/s	19.14	6 185
燃烧室供油量（p13）/（kg·s^-1）	1.02	1.00	2.0
加力燃烧室供油量（p19）/（kg·s^-1）	2.33	2.41	3.4
液冷循环流量（pm7）/（kg·s^-1）	2.45	2.39	2.5
滑油循环1流量（pm5）/（kg·s^-1）	6.53	6.50	0.5
滑油循环2流量（pm6）/（kg·s^-1）	6.53	6.50	0.5
加力燃烧室回油支路1流量（v8）/（kg·s^-1）	2.03	2.05	-1.0
加力燃烧室回油支路2流量（v6）/（kg·s^-1）	1.02	0.98	4.9
燃烧室油路出口温度/K	367.3	369.6	-0.6
加力燃烧室油路出口温度/K	339.8	335.3	0.6
换热器（hex1）热流体入口温度/K	407.8	405.7	1.3
换热器（hex1）冷流体入口温度/K	329.8	327.0	0.8
换热器（hex2）热流体入口温度/K	410.3	406.3	1.0
换热器（hex2）冷流体入口温度/K	320.3	316.3	1.3
换热器（hex3）热流体入口温度/K	316.5	314.5	0.6
换热器（hex4）热流体入口温度/K	355.9	352.0	1.1
换热器（hex4）冷流体入口温度/K	317.9	315.1	0.9

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Unified modeling and analysis method of multi-energy flow for aircraft energy and thermal management system

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