ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA >
Performance analysis of dual-tank fuel thermal management system
Received date: 2023-09-21
Revised date: 2023-10-11
Accepted date: 2023-12-11
Online published: 2023-12-26
Supported by
the Fundamental Research Funds for the Central Universities
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.
Yuhao WEI , Yuxue GE , Qian ZHAO , Yang PEI . Performance analysis of dual-tank fuel thermal management system[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2024 , 45(14) : 129629 -129629 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2023.29629
| 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. |
/
| 〈 |
|
〉 |
CJA