飞机内循环燃油热管理系统响应延迟效应

doi:10.7527/S1000-6893.2026.33104

流动控制与热管理专刊

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飞机内循环燃油热管理系统响应延迟效应

谭浩天¹, 宁雷², 许江涛¹(), 吕红庆¹, 朱麟海³, 吴纪涛¹

^1.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001
^2.上海航天控制技术研究所，上海 201109
^3.航空工业沈阳飞机设计研究所机电系统部，沈阳 110035

收稿日期:2025-11-18 修回日期:2025-12-19 接受日期:2026-01-28 出版日期:2026-02-10 发布日期:2026-02-09
通讯作者: 许江涛 E-mail:hit_xjt@163.com

Analysis on delay characteristics of response modes of aircraft internal circulation fuel thermal management system

Haotian TAN¹, Lei NING², Jiangtao XU¹(), Hongqing LYU¹, Linhai ZHU³, Jitao WU¹

^1.College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China
^2.Shanghai Aerospace Control Technology Institute，Shanghai 201109，China
^3.Mechanical and Electrical Systems Department，AVIC Shenyang Aircraft Design & Research Institute，Shenyang 110035，China

Received:2025-11-18 Revised:2025-12-19 Accepted:2026-01-28 Online:2026-02-10 Published:2026-02-09
Contact: Jiangtao XU E-mail:hit_xjt@163.com

摘要/Abstract

摘要：

引入内循环结构是提升飞机燃油热管理系统热沉利用效率的关键途径，但内循环会带来复杂的动力学特性，系统响应时间会随着流量分布出现不同程度的延迟。而热管理系统耦合了热力学过程与流体力学过程，系统内节点众多、相互耦合，表现高度的异质性与复杂性，常规的动力学建模方法难以表征其动态特性，无法分析延迟效应产生原因，难以针对性设计控制系统。提出基于图论的分层（流体-热力学）内循环燃油热管理系统动力学建模方法，利用所建模型揭示响应延迟问题产生的内在机理，并量化响应模态随流动状态分布的区域特征。结果表明延迟效应产生的本质原因是内循环改变了系统动力学的拓扑结构，增加了正反馈项，内循环的流量越大系统响应速度越慢。

关键词: 热管理, 内循环, 图论, 网络动力学, 模态分析

Abstract:

Introducing an internal circulation loop boosts aircraft Thermal Management System （TMS） heat sink efficiency. However， it creates complex dynamics with flow-dependent response delays. TMS couples thermodynamic and fluid dynamic processes， featuring numerous interconnected nodes that exhibit high heterogeneity and complexity. Conventional modeling fails to capture these dynamics or analyze delay causes， hindering control design. This paper proposes a hierarchical （hydraulic-thermal） graph-based modeling method for internal loop TMS dynamics. It reveals delay mechanisms and quantifies delay zones across flow states. The results show that the fundamental cause of the delay effect is that the internal circulation alters the topological structure of system dynamics and adds positive feedback terms， and the larger the flow rate of the internal circulation， the slower the system response speed.

Key words: thermal management system, internal circulation, graph theory, network dynamic, modal analysis

中图分类号:

V228

谭浩天, 宁雷, 许江涛, 吕红庆, 朱麟海, 吴纪涛. 飞机内循环燃油热管理系统响应延迟效应[J]. 航空学报, 2026, 47(13): 533104.

Haotian TAN, Lei NING, Jiangtao XU, Hongqing LYU, Linhai ZHU, Jitao WU. Analysis on delay characteristics of response modes of aircraft internal circulation fuel thermal management system[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(13): 533104.

图/表 25

图 1

图 2

图3

表1

飞行工况点参数

变量名称	符号	数值
飞行高度/km		2.61
飞行马赫数	Ma	0.33
发动机耗油率/（kg·s^-1）	$m ˙ e$	0.30
热载荷/kW	$ϕ$	150.00

表1

表2

图 4

图 5

表3

非内循环状态控制量与仿真状态参数

变量名称	符号	数值
散热泵转速/（r·min^-1）	n_t	1 508.88
回油阀门开度	v_b	0.45
供油泵转速/（r·min^-1）	n_s	3 210.81
散热流量/（kg·s^-1）	$m ˙ 3$	1.60
回油流量/（kg·s^-1）	$m ˙ 0$	1.50
发动机入口压力/kPa	P₂	150.00

表3

表4

内循环状态控制量与仿真状态参数

变量名称	符号	数值
散热泵转速/（r·min^-1）	n_t	5 419.88
回油阀门开度	v_b	0.02
供油泵转速/（r·min^-1）	n_s	3 116.12
散热流量/（kg·s^-1）	$m ˙ 3$	4.20
回油流量/（kg·s^-1）	$m ˙ 0$	0.50
发动机入口压力/kPa	P₂	150.00

表4

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

表5

图 19

图 20

参考文献 21

[1]	杨琳萱，马慧才，庞丽萍. 超声速民机环控系统设计及性能仿真［J］. 航空学报， 2025， 46（20）： 531585.
	YANG L X， MA H C， PANG L P. Design and performance simulation of environmental control system for supersonic civil aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（20）： 531585 （in Chinese）.
[2]	杨世宇，于海育，林远方，等. 具备消耗性热沉的燃油热管理系统性能分析及优化［J］. 航空学报， 2025， 46（4）： 130897.
	YANG S Y， YU H Y， LIN Y F， et al. Performance analysis and optimization of fuel thermal management system with expendable heat sink［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（4）： 130897 （in Chinese）.
[3]	杨世宇，林远方，于海育，等. 多温度限制点条件下燃油热管理系统热回油特性分析［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2024， 64（5）： 841-851.
	YANG S Y， LIN Y F， YU H Y， et al. Analysis of the hot fuel return characteristics for a fuel thermal management system with multiple temperature limit points［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2024， 64（5）： 841-851 （in Chinese）.
[4]	VAN HEERDEN A S J， JUDT D M， JAFARI S， et al. Aircraft thermal management： Practices， technology， system architectures， future challenges， and opportunities［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2022， 128： 100767.
[5]	SIGTHORSSON D， OPPENHEIMER M W， DOMAN D B. Aircraft thermal endurance optimization part Ⅱ： Using a simple dual tank topology and robust temperature regulation［C］∥AIAA Scitech 2019 Forum. Reston：AIAA， 2019.
[6]	SIGTHORSSON D， OPPENHEIMER M W， DOMAN D B. Aircraft thermal endurance optimization part Ⅰ： Using a mixed dual tank topology and robust temperature regulation［C］∥AIAA Scitech 2019 Forum. Reston：AIAA， 2019.
[7]	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）： 523629.
	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）：523629 （in Chinese）.
[8]	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）.
[9]	SIGTHORSSON D， OPPENHEIMER M W， DOMAN D B. Aircraft thermal endurance enhancement using a dual tank configuration and temperature regulation［C］∥2018 AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference. Reston： AIAA， 2018.
[10]	DOTY J， YERKES K， BYRD L， et al. Dynamic thermal management for aerospace technology： Review and outlook［J］. Journal of Thermophysics and Heat Transfer， 2017， 31（1）： 86-98.
[11]	王艾伦. 复杂机电系统（键合图—模态分析）方法研究［D］. 长沙：中南大学， 2004.
	WANG A L. A research on （bond graph-modal analysis） method for complex elcetro-mechanical system［D］. Changsha： Central South University， 2004 （in Chinese）.
[12]	WANG A L. Bond graph method for the dynamic similarity analysis of complex electromechanical system［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2010， 46（1）： 74.
[13]	THOMPSON A F， IEZZI A J， PANGBORN H C， et al. Combined design and open-loop control optimization for propulsion， power， and thermal management of hybrid-electric aircraft［C］∥2023 IEEE Conference on Control Technology and Applications （CCTA）. Piscataway： IEEE Press， 2023： 955-962.
[14]	AKSLAND C T， TANNOUS P J， WAGENMAKER M J， et al. Hierarchical predictive control of an unmanned aerial vehicle integrated power， propulsion， and thermal management system［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2023， 31（3）： 1280-1295.
[15]	KOELN J P， PANGBORN H C， WILLIAMS M A， et al. Hierarchical control of aircraft electro-thermal systems［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2020， 28（4）： 1218-1232.
[16]	PANGBORN H C， KOELN J P， WILLIAMS M A， et al. Experimental validation of graph-based hierarchical control for thermal management［J］. Journal of Dynamic Systems， Measurement， and Control， 2018， 140（10）： 101016.
[17]	HU H T， SUN H R， WU C Y， et al. A steady-state simulation model of supplemental cooling system integrated with vapor compression refrigeration cycles for commercial airplane［J］. Applied Thermal Engineering， 2020， 166： 114692.
[18]	DUAN Z D， SUN H R， WU C Y， et al. Flow-network based dynamic modelling and simulation of the temperature control system for commercial aircraft with multiple temperature zones［J］. Energy， 2022， 238： 121874.
[19]	胡沛，黄坤山，何世伟，等. 高空长航时无人机热管理技术发展及挑战［J］. 航空动力学报， 2025， 40（8）：20230171.
	HU P， HUANG K S， HE S W， et al. Development of thermal management technologies for high-altitude long endurance unmanned aerial vehicles： Challenges and perspectives［J］. Journal of Aerospace Power， 2025， 40（8）：20230171 （in Chinese）.
[20]	杜晨慧. 高超声速飞行器综合热管理及关键技术研究进展［J］. 装备环境工程， 2023， 20（1）： 43-51.
	DU C H. Research progress on integrated thermal management and key technology of hypersonic vehicles［J］. Equipment Environmental Engineering， 2023， 20（1）： 43-51 （in Chinese）.
[21]	滕润航，贺克伦，赵甜，等. 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.
	TENG R H， HE K L， ZHAO T， et al. 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 （in Chinese）.

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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

变量名称	符号	数值
供油箱容积/m³	V₀	12.78
供油泵出口管路容积/m³	V₁	0.005
发动机入口容积/m³	V₂	0.005
冷板燃油容积/m³	V₃	0.005
换热器出口管路容积/m³	V₄	0.005
冷板质量/kg	M_w	6

非内循环状态极点	内循环状态极点
-2.987 5×10^-5	-2.988 4×10^-5
-0.076 5	-0.038 6
-0.155 4	-0.938 0+0.661 8i
-0.459 7	-0.938 0-0.661 8i
-0.407 4	-1.550 9

飞机内循环燃油热管理系统响应延迟效应

Analysis on delay characteristics of response modes of aircraft internal circulation fuel thermal management system

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[1]	唐子诚, 韩泽冉, 郑丹, 马挺. 有限界面热流相变模型的推导与验证[J]. 航空学报, 2026, 47(13): 532977-532977.
[2]	罗平根, 李彬, 王化吉, 李星萍, 夏文庆. 直升机余热回收热管理新构型及应用[J]. 航空学报, 2026, 47(1): 632007-632007.
[3]	李海旺, 高胜寒, 谢刚, 余明星, 何旭楠. 氢能混动分布式热管理系统多热沉匹配与调控策略[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 630951-630951.
[4]	虞翔宇, 李文, 严杰, 梁世哲. 无人机液氢燃料电池热管理系统仿真研究[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 630964-630964.
[5]	张卓然, 张健, 胡光源, 薛涵, 李涵琪, 于立. 多电飞机高功率密度高效电机系统热管理技术[J]. 航空学报, 2025, 46(6): 531380-531380.
[6]	张锐聪, 王天宇, 何玉荣, 朱嘉琦, 韩杰才. 智能窗散射调控技术研究进展与应用思考[J]. 航空学报, 2025, 46(6): 531844-531844.
[7]	杨智春, 杨特. 动载荷识别物理嵌入式神经网络模型与方法[J]. 航空学报, 2025, 46(5): 531450-531450.
[8]	杨世宇, 于海育, 林远方, 梁新刚. 具备消耗性热沉的燃油热管理系统性能分析及优化[J]. 航空学报, 2025, 46(4): 130897-130897.
[9]	杨琳萱, 马慧才, 庞丽萍. 超声速民机环控系统设计及性能仿真[J]. 航空学报, 2025, 46(20): 531585-531585.
[10]	娄维达, 秦国华, 万敏, 朱智翔. 薄壁零件铣削时变动力学参数预测与实验验证[J]. 航空学报, 2025, 46(14): 431540-431540.
[11]	程荣辉, 张志舒, 阮文博, 王建锋. 先进航空发动机核心关键技术[J]. 航空学报, 2025, 46(12): 31220-031220.
[12]	葛向东, 吴法勇, 刘永泉, 安中彦, 乔保栋, 高强, 秦天龙, 周笑阳. 航空发动机整机振动问题研究方法及工程应用[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 628353-628353.
[13]	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.
[14]	杨盛庆, 吴敬玉, 朱文山, 钟超. 基于星间链路的星座相对构型保持方法[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 326796-326796.
[15]	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.