双油箱燃油热管理系统性能分析

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29629

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

双油箱燃油热管理系统性能分析

魏宇豪, 葛玉雪(), 赵倩, 裴扬

西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2023-09-21 修回日期:2023-10-11 接受日期:2023-12-11 出版日期:2023-12-28 发布日期:2023-12-26
通讯作者: 葛玉雪 E-mail:ge_yuxue@nwpu.edu.cn
基金资助:
中央高校基本科研业务费专项资金

Performance analysis of dual-tank fuel thermal management system

Yuhao WEI, Yuxue GE(), Qian ZHAO, Yang PEI

School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2023-09-21 Revised:2023-10-11 Accepted:2023-12-11 Online:2023-12-28 Published:2023-12-26
Contact: Yuxue GE E-mail:ge_yuxue@nwpu.edu.cn
Supported by:
the Fundamental Research Funds for the Central Universities

摘要/Abstract

摘要：

随着飞机热载荷的增加，燃油热管理逐渐成为现代飞机设计和运行中的重要考虑因素。建立了考虑热损失的双油箱拓扑结构燃油热管理系统的动力学模型，给出了考虑热损失情况下的管理策略，并利用热续航时间、热沉利用效率和废热利用效率这3个指标对该系统的性能进行评价。结合典型示例，对所推导的动力学模型进行了验证。与传统单油箱系统相比，双油箱拓扑结构燃油热管理系统可以提升系统的热续航时间。对于本文所研究的双油箱燃油热管理系统，其增幅可达36.8%。在此基础上，分析了热管理系统设计参数对运行效果的影响。结果显示：总燃油质量流率的降低可以增强系统的热沉利用效率和废热利用效率。在油箱总容量不变的前提下，适当地缩小再循环油箱容量，则可以提高系统的热续航时间。对于本文算例，当总燃油质量流率为1 kg/s时，再循环油箱容量减少100 kg，热续航时间提高约109 s。本文研究可为飞机燃油热管理系统设计提供参考。

关键词: 燃油系统, 双油箱拓扑结构, 热沉, 热管理系统, 热续航时间

Abstract:

With the increase of aircraft thermal load， fuel thermal management has become an important consideration in the design and operation of modern aircraft. This paper establishes a dynamics model of the dual-tank topology fuel thermal management system considering heat loss， presents a management strategy considering heat loss， and evaluates the performance of the system using three indexes： thermal endurance， heat sink utilization efficiency， and waste heat utilization efficiency. Combined with typical examples， the derived dynamics model is verified. Compared with the traditional single-tank topology fuel thermal management system， the dual-tank topology fuel thermal management system can improve the thermal endurance of the system by 36.8%. On this basis， the influence of design parameters of the thermal management system on operation effect is analyzed. The results show that the reduction of the total fuel mass flow rate can enhance both the heat sink utilization efficiency and the waste heat utilization efficiency of the system. If the total capacity of the fuel tank remains unchanged， the appropriate reduction of the capacity of the recirculation tank can improve the thermal endurance of the system. For the example in this article， reducing the recirculation tank capacity by 100 kg will increase the thermal endurance by about 109 s as the total fuel mass flow rate is 1 kg/s. This research can provide reference for the design of aircraft fuel thermal management systems.

Key words: fuel system, dual-tank topology, heat sinks, thermal management system, thermal endurance

中图分类号:

V245

魏宇豪, 葛玉雪, 赵倩, 裴扬. 双油箱燃油热管理系统性能分析[J]. 航空学报, 2024, 45(14): 129629-129629.

Yuhao WEI, Yuxue GE, Qian ZHAO, Yang PEI. Performance analysis of dual-tank fuel thermal management system[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(14): 129629-129629.

图/表 17

图 1

图 2

图 3

表 1

单油箱燃油热管理系统验证实验系统参数［22］

参数	数值
单油箱初始水量/kg	9.45
总质量流率/（kg·s^-1）	0.022 72
水消耗速率/（kg·s^-1）	0.006 05
单油箱初始温度/K	302.15
比热容/（kJ·kg^-1·K^-1）	4.186
$U r A r$ /（W·K^-1）	2

表 1

图 4

表 2

双油箱燃油热管理系统验证实验系统参数［22］

参数	数值
再循环油箱初始水量/kg	3.86
储油油箱初始水量/kg	5.184
总质量流率/（kg·s^-1）	0.022 07
水消耗速率/（kg·s^-1）	0.005 4
再循环油箱初始温度/K	302.65
比热容/（kJ·kg^-1·K^-1）	4.186
$U r A r$ /（W·K^-1）	2

表 2

图 5

表 3

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

参考文献 24

1	HUANG G P， DOMAN D B， OPPENHEIMER M W， et al. Control of a switched mode fuel thermal management system［J］. Journal of Thermophysics and Heat Transfer， 2022， 36（1）： 13-27.
2	孙智. 飞机热管理与座舱热舒适性研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2017： 1.
	SUN Z. An investigation on aircraft thermal management system and thermal comfort in cockpit［D］.Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2017： 1 （in Chinese）.
3	王瑞卿，李栋，李运华，等. 飞机燃油系统全飞行剖面热边界模拟与温度预测［J］. 北京航空航天大学学报， 2022， 48（3）： 369-375.
	WANG R Q， LI D， LI Y H， et al. Thermal boundary simulation and temperature prediction for aircraft fuel system with full flight profile［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2022， 48（3）： 369-375 （in Chinese）.
4	罗志会，李胜全，黄纯洲. 下一代飞机热管理技术的研究热点［J］. 航空科学技术， 2015， 26（8）： 6-12.
	LUO Z H， LI S Q， HUANG C Z. Highlights of next generation aircraft thermal management technology［J］. Aeronautical Science & Technology， 2015， 26（8）： 6-12 （in Chinese）.
5	于磊，梁兴壮，李国强. 飞机热管理系统动态仿真［J］. 飞机设计， 2021， 41（3）： 9-13.
	YU L， LIANG X Z， LI G Q. Dynamic simulation of aircraft thermal management system［J］. Aircraft Design， 2021， 41（3）： 9-13 （in Chinese）.
6	屠敏，袁耿民，薛飞，等. 综合热管理在先进战斗机系统研制中的应用［J］. 航空学报， 2020， 41（6）： 129-139.
	TU M， YUAN G M， XUE F， et al. Application of integrated thermal management in development of advanced fighter system［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（6）： 129-139 （in Chinese）.
7	唐玫，吉洪湖，胡娅萍. 超声速飞行器综合热管理系统优化设计［J］. 推进技术， 2022， 43（1）： 44-54.
	TANG M， JI H H， HU Y P. Optimal design of comprehensive thermal management system for supersonic vehicle［J］. Journal of Propulsion Technology， 2022， 43（1）： 44-54 （in Chinese）.
8	兰江，朱磊，赵竞全. 通用油箱热模型的建模与仿真［J］. 航空动力学报， 2014， 29（7）： 1623-1630.
	LAN J， ZHU L， ZHAO J Q. Modeling and simulation of general fuel tank thermal model［J］. Journal of Aerospace Power， 2014， 29（7）： 1623-1630 （in Chinese）.
9	王赵蕊佳，郝毓雅. 飞机油箱燃油热分析及可燃性分析［J］. 现代机械， 2022（4）： 68-72， 99.
	WANG Z R J， HAO Y Y. Thermal and flammability analysis of aircraft fuel in fuel tank［J］. Modern Machinery， 2022（4）： 68-72， 99 （in Chinese）.
10	翟雁军，范茹军，王绪辉，等. 飞机热管理系统热动态仿真及温度控制［J/OL］. 航空动力学报，（2023-08-14）［2023-10-16］. .
	ZHAI Y J， FAN R J， WANG X H， et al. Thermal dynamic simulation and temperature control for aircraft thermal management system［J/OL］. Journal of Aerospace Power，（2023-08-14）［2023-10-16］. （in Chinese）.
11	GERMAN B J. Tank heating model for aircraft fuel thermal systems with recirculation［J］. Journal of Propulsion and Power， 2012， 28（1）： 204-210.
12	PANG L， LI S， LIU M， et al. Influence of the design parameters of a fuel thermal management system on its thermal endurance［J］. Energies， 2018， 11（7）： 1677.
13	DOMAN D B. Optimal cruise altitude for thermal management［C］∥2015 AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference. Reston： AIAA， 2015.
14	OPPENHEIMER M W， SIGTHORSSON D， DOMAN D B. Extending aircraft thermal endurance by fuel pump sizing［C］∥2018 AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference. Reston： AIAA， 2018.
15	DOMAN D B. Fuel flow topology and control for extending aircraft thermal endurance［J］. Journal of Thermophysics and Heat Transfer， 2018， 32（1）： 35-50.
16	HUANG G P， DOMAN D B. Thermal management of single- and dual-tank fuel-flow topologies using an optimal control strategy［J］. Journal of Thermal Science and Engineering Applications， 2018， 10（4）： 041019.
17	SIGTHORSSON D， OPPENHEIMER M W， DOMAN D B. Flight endurance enhancement via thermal management system control subject to multiple limitations［C］∥AIAA Scitech 2020 Forum. Reston： AIAA， 2020.
18	成超乾，于鹏，谢宗齐，等. 基于LNG的高速飞机热管理系统设计建模与分析［J］. 航空学报， 2023， 44（10）： 127545.
	CHENG C Q， YU P， XIE Z Q， et al. Design simulation of thermal management system for hypersonic aircraft based on liquid natural gas［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（10）： 127545 （in Chinese）.
19	杨晓东，庞丽萍，阿嵘，等. 高速飞行器燃油热管理系统飞行热航时［J］. 化工学报， 2020， 71（S1）： 425-429.
	YANG X D， PANG L P， A R， et al. Thermal flight time of fuel heat management system for high speed vehicle［J］. CIESC Journal， 2020， 71（S1）： 425-429 （in Chinese）.
20	钱煜平，张扬军. 航空混合电推进系统中的热管理问题分析［J］. 航空动力， 2019（6）： 36-40.
	QIAN Y P， ZHANG Y J. Analysis of thermal management in aviation hybrid electric propulsion system［J］. Aerospace Power， 2019（6）： 36-40 （in Chinese）.
21	庞丽萍，邹凌宇，阿嵘，等. 高速运载器燃油热管理系统优化［J］. 北京航空航天大学学报， 2019， 45（2）： 252-258.
	PANG L P， ZOU L Y， A R， et al. Optimization of fuel heat management system for high-speed aircraft［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2019， 45（2）： 252-258 （in Chinese）.
22	HUANG G P， DOMAN D B， ROTHENBERGER M J， et al. Dimensional analysis， modeling， and experimental validation of an aircraft fuel thermal management system［J］. Journal of Thermophysics and Heat Transfer， 2019， 33（4）： 983-993.
23	YU J， GOU X L. Comprehensive surrogate for emulating physical and kinetic properties of jet fuels［J］. Journal of Propulsion and Power， 2018， 34（3）： 679-689.
24	ZABARNICK S， WHITACRE S D. Aspects of jet fuel oxidation［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 1998， 120（3）： 519-525.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

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

参数	数值
单油箱油量/kg	3 050
再循环油箱油量/kg	200
储油油箱油量/kg	2 850
总燃油质量流率/（kg·s^-1）	1
燃油消耗速率/（kg·s^-1）	0.26
各油箱初始温度/K	288
燃油比热容/（kJ·kg^-1·K^-1）	2.01
燃油焦化温度/K	413

[1]	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.
[2]	成超乾, 于鹏, 谢宗齐, 李洋, 焦宗夏. 基于LNG的高速飞机热管理系统设计建模与分析[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 127545-127545.
[3]	许文纲, 王志颖, 孙闯, 严如强, 陈雪峰. 转频调制下齿轮泵压力脉动机理[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625508-625508.
[4]	李征鸿, 王亚盟, 刘静, 佟晓龙, 赵营. 燃油跨多隔舱流动及晃动特性分析[J]. 航空学报, 2021, 42(8): 525818-525818.
[5]	卫本琦;胡卫兵. 飞机燃油质量特性计算及供油顺序的设计[J]. 航空学报, 1993, 14(10): 515-517.

双油箱燃油热管理系统性能分析

Performance analysis of dual-tank fuel thermal management system

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 17

参考文献 24

相关文章 5

编辑推荐

Metrics

本文评价