基于差压法的飞机液冷系统冷却液流量测量

封卫忠

（中国飞行试验研究院，陕西西安 710089）

基于差压法的飞机液冷系统冷却液流量测量

封卫忠

（中国飞行试验研究院，陕西西安 710089）

飞机液冷系统冷却液流量是评定系统性能的一项重要指标。利用液冷系统中的变径导管作为节流件，可以采用差压法对冷却液流量进行测量。利用地面校准系统获得的试验数据，拟合得到了不同温度、不同压力下的冷却液流量-差压特性曲线，通过插值得到了可用于流量计算的修正公式。试飞结果表明，采用这种方法测量飞机液冷系统冷却液流量是可行的，解决了飞机液冷系统不便加装流量计的问题。

计量学；流量测量；差压法；液冷系统

1 引 言

飞机液冷系统可以解决大功率、高热流密度机载电子设备的散热问题［1］，能够改善电子设备组件可靠性，减少维护费用［2］。液冷系统中冷却液流量是评定液冷系统性能的一项重要指标，准确获得该参数是试飞工作的一项重要内容。由于飞机设备舱空间有限，一些常用的液体流量测量设备都难以在飞机上实施改装，同时还会带来冷却液泄漏、影响系统性能等问题，因此在军用飞机上较为可行的是采用差压式流量测量方法对液冷系统冷却液流量进行测量。

2 液体流量差压测量

由于飞机液冷系统的管道无法做到节流件前后直管段的长度要求，在管道上加装节流装置会影响整个系统的流阻特性，对系统的性能造成影响，以及加装节流装置增加了冷却液泄漏的可能性，因此用差压法测量冷却液流量，只能借鉴其原理，通过地面标定试验得到相应的流量曲线。

某型机液冷系统电子设备出口的液冷导管为一段变径导管（直径分别18mm、16mm、20mm），并有一直角弯头。和节流件一样，在变径导管的进出口同样可以产生压差，直角弯头也可以产生压力损失，可以通过地面标定试验的方法得到流量系数α，在飞行中测量该段导管的进出口压差，用式（1）计算冷却液的流量，而不给液冷系统带来额外的压力损失。

3 温度-压力特性研究

飞机机载电子设备对环境要求苛刻，国内一般以65%的乙二醇水溶液（65号冷却液）作为液冷系统的冷却介质［6］，其运动粘度系数受温度的影响较大（见图1）。

图1 冷却液运动粘度与温度的关系曲线

液体的粘性主要是由于液体之间的内聚力而产生［7］，温度下降时，液体由于体积收缩内聚力增大而使粘度增大。运动粘度增大会导致雷诺数减小，而雷诺数减小会使流阻系数增大，从而导致管道的沿程阻力损失增大，进而影响到管道内冷却液流量的变化。

冷却液的压力同样对运动粘度有影响，压力会影响冷却液的密度，使分子间的运动加快，进而影响到冷却液的流阻系数，在压差相同的情况下得到的流量会有差别。

4 温度-压力特性试验

4.1 试验方法

在标准流量装置的液冷系统地面试验台上，根据试验要求改变液冷系统的温度、压力和流量，得到压差和管路流量的关系曲线，同时得到温度、压力的修正曲线。冷却液在液体泵中增压后，通过过滤器过滤后进入电加热器，加热到试验要求的温度，通过调节阀流入试验管段，再通过标准流量计、流量调节阀流回到液体泵，完成循环过程。数据采集设备记录试验管段的压差、冷却液温度、压力及管内的冷却液流量，得到流量和压差的关系曲线，通过改变制冷液的温度、压力，而保持流量不变，得出温度、压力的流量特性，对流量-压差的关系曲线进行修正，得到的结果可用于飞行试验中冷却液流量测试。试验原理图见图2。

图2 地面校准试验原理图

4.2试验内容

保持管道内的温度、流量不变，改变系统的冷却液入口压力得到流量-压差的关系曲线。保持管道内的压力、流量不变，改变系统的冷却液温度得到流量-压差的关系曲线。

4.3试验数据分析

图3是入口压力为200 kPa时，管内冷却液温度分别为20℃、35℃、50℃时流量和压差的关系曲线。随着流量的增加，温度带来的影响也越大，在压差同为30 kPa时，20℃时的流量为25.69 L／min，50℃时的流量为27.96 L／min，相对误差达8.84%。

图3 压力200 kPa时温度特性曲线

图4是入口压力为350 kPa时，管内冷却液温度分别为20℃、35℃、50℃时流量和压差的关系曲线。在压差同为30 kPa时，20℃时的流量为25.45 L／min，50℃时的流量为27.47 L／min，相对误差达7.94%。

图4 压力350kPa时温度特性曲线

图5是温度为20℃时，入口压力分别为200 kPa、350 kPa时冷却液流量和压差的关系曲线。压力对流量测量有一定影响，但影响不是很大，同样以压差30 kPa、温度20℃计算，入口压力200 kPa时流量为25.69 L／min，入口压力350 kPa时流量为25.45 L／min，相对误差仅0.94%。

图6是温度为35℃时，入口压力分别为200 kPa、350 kPa时冷却液流量和压差的关系曲线。以压差30 kPa、温度35℃计算，入口压力200 kPa时流量为26.86 L／min，入口压力350 kPa时流量为26.46L／min，相对误差为1.51%。从图上也可以看出，误差要比液体温度20℃时的误差要大些。

图7是温度为50℃时，入口压力分别为200 kPa、350 kPa时冷却液流量和压差的关系曲线。以压差30 kPa、温度50℃来计算，入口压力200 kPa时流量为27.96 L／min，入口压力350 kPa时流量为27.47 L／min，相对误差为1.78%。

图5 温度20℃时压力特性曲线

图6 温度35℃时压力特性曲线

图7 温度50℃时压力特性曲线

4.4试验结果

根据以上分析，如果不进行修正，30℃的温差会带来9%的测量误差，在温度较高时压力带来的误差也不容忽视，150 kPa将会带来2%的误差，所以必须依据试验结果对测量值进行修正。利用最小二乘拟合方法得到的温度特性或压力特性修正公式，根据测量的压差可以计算得到冷却液流量，入口压力200 kPa、温度20℃、35℃、50℃时的冷却液流量分别记作Q1、Q2和Q3（见图3）；入口压力350 kPa，温度20℃、35℃、50℃时的冷却液流量分别记作Q4、Q5和Q6（见图4）。利用线性插值方法，根据测量的温度t可以得到入口压力为200 kPa时的冷却液流量为

入口压力为350 kPa时的流量为

根据测量的入口压力P得到冷却液流量为

最后得到修正后的流量Q（L／h）计算公式为

5 飞行试验结果

地面校准试验完成后，试验导管改装恢复到飞机上，对液冷系统进行了飞行试验评定。从图8可以看出冷却液温度在20℃～50℃之间变化，入口压力在100～300 kPa之间变化，由地面试验结果可知需对由温度、压力变化带来的流量测量变化进行修正，图中冷却液流量曲线是根据修正后的流量计算公式得到的二次数据处理结果。冷却液流量在1 100～1 250 L／h之间变化，和设计值一致。

6 结束语

图8 液冷系统性能参数时间历程曲线

地面校准试验和飞行试验结果表明，利用飞机液冷系统现有的变径导管作为节流件，采用差压法测量原理测量流量是正确可行的，测量结果能够满足试飞测试要求。使用这种方法可以不影响系统性能，并能减少测试改装工作，可以应用到其他型号飞机液冷系统性能的试飞鉴定。

［1］ 朱春玲，宁献文.用于大功率电子设备的新型液冷环控系统的研究［J］.南京航空航天大学学报，2005，37（2）：203－207.

［2］ SAE.AIR1811 Liquid Cooling System［S］.1997.

［3］ 牛福河，夏洪儒，刘国权，等.差压式流量计的流量计算及节流件计算（Ⅰ）［J］.河北轻化工学院学报，1996，17（4）：40－49.

［4］ 苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试［M］.北京：机械工业出版社，2007：129－132.

［5］ 谢代梁，杨康，陶姗，等.均速管流量计流量系数数值校验方法研究［J］.实验流体力学，2010，24（4）：89－94.

［6］ 吕红涛.电子设备散热技术探讨［J］.电子机械工程，2011，27（5）：8－11.

［7］ 梁国伟.流量计量与测试［M］.北京：中国计量出版社，2007：129－132.

Coolant Flow Measurement of Aircraft Liquid Cooling System Based on Differential Pressure Method

FENGWei-zhong
（Chinese Flight Test Establishment，Xi′an，Shaanxi710089，China）

The coolant flow in the aircraft liquid cooling system is usually regarded as an important parameter of the assessment of the system performance.With the aid of utilizing the diameter-variable ducts in the liquid cooling system as a throttling element，the coolant flow can bemeasured by using the differential pressuremethod.By applying data fitting to the experimental findings obtained from the groud calibration system，the characteristic curves of the coolant flow versus differential pressure for different temperature and pressure values were obtained.Furthermore，the formulate for the correction of calculated coolant flow were gained through linear interpolation.The flight test results indicate that themethod is feasible for the measurement of the coolant flow of the aircraft liquid cooling system and，therefore，the problem of inconvenient refitting of flowmeter for the liquid cooling system has been solved.

Metrology；Flow measurement；Differential pressuremethod；Liquid cooling system

TB937

A

1000-1158（2014）03-0248-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．03．11

2013-06-01；

2013-12-06

封卫忠（1971－），男，陕西蓝田人，中国飞行试验研究院高级工程师，主要从事飞机环境控制与安全救生系统试飞技术研究。hkjs_fwz＠163.com