大型客机辅助冷却系统稳态仿真模型

吴静玮 孙浩然 胡海涛 李革萍 吴成云 吕中原 /

(1. 上海交通大学，上海 200240； 2. 上海飞机设计研究院，上海，201210)

大型客机辅助冷却系统稳态仿真模型

吴静玮1孙浩然1胡海涛1李革萍2吴成云2吕中原2/

(1. 上海交通大学，上海 200240； 2. 上海飞机设计研究院，上海，201210)

为指导大型客机辅助冷却系统的设计，针对机载蒸发循环和液体冷却循环相结合的辅助冷却系统，开发了系统稳态仿真模型。建立了适用于系统仿真的压缩机、换热器、电子膨胀阀等部件模型；对系统各单元之间的相互关系进行分析与解耦，建立了适用的系统求解算法。对系统性能随制冷剂充注量的变化趋势进行了预测分析，分析结果表明，辅助冷却系统稳态仿真模型对系统性能变化趋势的预测符合理论分析结果，模型可靠。

大型客机；辅助冷却系统；稳态仿真；模型

0 引言

辅助冷却系统是为客机电子设备、餐车厨房等用冷单元提供冷量的系统，是民用客机商务运行的关键。随着客机性能的不断提升及电子元器件集成化的迅速发展，机载电子设备及用冷单元不断增多、功率越来越大的同时体积却不断缩小，导致热载荷急剧上升，控温需求日益提升，使得辅助冷却系统的设计更为重要[1-3]。

对于大型客机的辅助冷却系统，随着多电化的发展，机载电子设备散热量急剧增大，且热流密度不断升高，风冷形式已经无法满足设备的冷却需求[4]。目前国外先进的机载辅助冷却系统较多采用液体冷却系统和蒸发循环系统相结合的方式进行冷却降温，例如，美国的F-22采用机载蒸发循环和液体冷却系统相结合的一体化综合能量管理系统(ECS/TMS)[5-9]，A-50、E-3C和SU-27等也都采用了液冷系统。主要原因是液体的换热系数和比热均比空气大[3]，具有较高的冷却效率和稳定工作特性。对于蒸发循环和液体冷却循环组成的辅助冷却系统，一般由冷量产生单元、冷量运输单元和用冷单元三部分组成，用冷单元通过冷却液进行冷量输运，其组成与原理如图1所示。

Upadhya等人[10]对应用于高热流密度电子设备的液体冷却系统进行了实验研究，结果表明该系统具有冷却效率高、噪声小且造价低等优点；朱春玲和宁献文[3]在提出的新型飞机液冷环控系统基础上，通过实验确定了冷板换热器的Q-p性能曲线和流量分配实验中限流环的尺寸。由于大型客机的辅助冷却系统内部结构复杂，采用传统的实验方法费时费力，难以满足大型客机辅助冷却系统的设计需求，计算机仿真技术已成为系统设计的主要方法[11]。

采用计算机仿真技术设计大型客机的辅助冷却系统的关键是开发能够预测系统稳态运行性能的仿真模型。Chang J Y等人[12]通过数值仿真技术，分析了微通道液冷系统中不同类型泵、流量等对电子设备温度分布的影响；Tybrandt[13]研究了液冷系统中不同控制参数对系统性能的影响；南国鹏和王浚[14]在流程图的基础上对定工况液冷系统采用动态仿真，并对比实测数据验证了仿真模型的可靠性。目前的计算机仿真大多以液冷系统和部件建模为主，还没有针对大型客机辅助冷却系统建立稳态仿真模型。

本文将针对典型大型客机辅助冷却系统建立稳态仿真模型，并对模型的可靠性进行验证。

1 部件数学模型

建模对象为图1所示系统中的各单元主要部件，冷量产生单元包含压缩机、电子膨胀阀和换热器，其中换热器类型主要为板翅式换热器。

1.1 压缩机模型

对于大型客机辅助冷却系统仿真用的压缩机模型，主要是要建立压缩机的流量与功率、蒸发器和冷凝器的关系，以及计算出其他影响装置性能的参数，如排气温度、溶解制冷剂质量等[15]。

压缩机内制冷剂流量的计算模型[16]见式(1)：

压缩机功率的计算模型[15][17]见式(2)、式(3)：

式中，c为电机的摩擦功率，单位为W；d为指示效率；n为多变指数；角标th代表理论值。

将压缩机看成仅有一个单结点集中温度Tcom，由能量方程：

式中，Q1为压缩机壳体与近壳体环境Tar之间的换热，Q2为内部生成热；Dh为压缩机的当量球体直径；α1为压缩机壳体与近壳体环境的换热系数；ε为压缩机壳体的黑度；玻尔兹曼常数σ=5.67×10-8；下标in、out分别指压缩机机壳的进出口状态。

排气温度：

压缩机内的制冷剂分布在冷冻油中、储液器内和壳体空腔内，制冷剂质量的计算见式(8)：

式中，mr为压缩机内的制冷剂总质量；mr_oil为溶解在冷冻油中的制冷剂质量，由式(9)计算；mr_shell为壳体空腔中的制冷剂质量，由式(10)计算；mr_accum为储液器中的制冷剂质量，由式(11)计算。

式中，s为冷冻油中的制冷剂溶解度[18]；Tcom为压缩机壳体温度；Pc为冷凝压力；Vshell为壳体空腔容积；Vaccum为储液器内容积；vin为进口制冷剂比体积；vout为出口制冷剂比体积。

1.2 换热器模型

对于大型客机辅助冷却系统仿真用的板翅式换热器模型，主要是要建立制冷剂与冷却液、空气侧的关系，以及计算出其他影响系统性能的参数，如制冷剂出口温度、制冷剂充注量、空气出口温度、换热量等。

冷却液侧控制方程：

制冷剂侧控制方程：

能量平衡方程：

制冷剂质量计算公式如下：

式中，L为相区长度；ρ为制冷剂密度；A为相区横截面积。

1.3 电子膨胀阀模型

对于大型客机辅助冷却系统仿真用的电子膨胀阀模型，主要是要建立其与冷凝器和蒸发器的关系，以及计算出其他影响系统性能的参数，如制冷剂流量、制冷剂出口状态等。

由于电子膨胀阀与外部环境的换热面积极小、且其内部没有能量传递，因此可将系统中的电子膨胀阀看做绝热元件，即制冷剂的节流过程为等焓节流过程：

流量特性可以采用经典水力公式来计算：

2 系统求解算法

2.1 冷量产生单元求解算法

对于冷量产生单元的求解，本文采用基于质量引导的的解耦求解算法[19]，如图2所示。具体步骤如下所述。

1)假定各部件中的制冷剂质量，假定冷凝压力Pc、蒸发压力Pe；

2)计算此工况下的电子膨胀阀流量；

3)计算冷凝器中含有的制冷剂质量；

4)判断冷凝器中制冷剂质量的计算值是否等于假定值，若是，则转入步骤5)，否则，调整Pc，转入步骤3)；

5)计算蒸发器中含有的制冷剂质量；

6)计算压缩机中含有的制冷剂质量；

7)判断蒸发器和压缩机中制冷剂质量的计算值是否等于假定值，若是，则转入步骤8)，否则，调整Pe，转入步骤5)；

8)判断压缩机质量流量是否等于电子膨胀阀质量流量，若是，则转入步骤9)，否则，调整各部件中的制冷剂质量，转入步骤2)；

10)判断系统过热度的计算值是否等于设定值，若是，输出结果，否则，调整电子膨胀阀开度，重复步骤2)～10)。

2.2 机载辅助冷却系统求解算法

辅助冷却系统中冷量产生单元与用冷单元两部分互相耦合，系统模型需要建立各部分之间的关系，通过解耦计算求得系统的性能。仿真流程如图3所示，具体步骤如下：

1)假定用冷单元冷却液出口温度Tout；

3 模型可靠性验证

本文采用已有的辅助冷却系统的部件实验数据对部件模型进行精度验证，压缩机和电子膨胀阀模型质量流量的计算值与实验数据对比如图3所示。

从图3中可以看出，关键部件模型质量流量的仿真最大误差和平均误差皆在5%以内，模型精度良好。

由于缺乏大型客机辅助冷却系统的实验数据，本文采用趋势合理性分析对模型可靠性进行验证。

系统能耗随制冷剂充注量的变化曲线如图4(a)所示。从图中可以看出，系统能耗随着制冷剂充注量的增加而一直升高。这是由于制冷剂充注量的增加将使冷凝压力升高且制冷剂质量流量增加，从而导致压缩机的能耗增加，系统能耗随之增加。

系统能效EER随制冷剂充注量的变化曲线分别如图4(b)所示。从图中可以看出，系统能效随着制冷剂充注量的增加而先增加后减小。这是由于系统存在最优充注量，当偏离最优充注量时，系统能效会降低，故呈现先增加后减小的趋势。

从图3中可以看出，模型对于系统能耗和能效EER的计算趋势符合理论分析结果，模型可靠。

4 结论

1)本文建立了大型客机辅助冷却系统的部件仿真模型及系统求解算法，能够预测系统稳态运行性能；

2)本文模型对于客机辅助冷却系统性能变化趋势的预测符合理论分析结果，模型可靠。

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A Steady-state Simulation Model of Auxiliary Cooling System for Airliner

WU Jingwei1SUN Haoran1HU Haitao1LI Geping2WU Chengyun2LÜ Zhongyuan2

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

In order to guide the design of the auxiliary cooling system, a steady-state simulation model of the auxiliary cooling system forairlinerconsisting of airborne vapor cycle and liquid coolingcylce was developed.The component model of compressor, heat exchanger and electronic expansion valve suitable for system simulation was established; the relationships among the the units of the system were analyzed and decoupled, and an appropriate system solving algorithm is established among. The performance of the system with the variation of refrigerant change was predicted and analyzed. The analysis results show that the prediction of the auxiliary coolingsystem performance accords with the theoretical analysis results by the steady-state simulation model of the auxiliary cooling system,and the model is reliable.

airliner; auxiliary cooling system; steady-state simulation; model

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.011

胡海涛男，博士，副教授、博导。主要研究方向：制冷系统仿真、相变流动与强化传热。Tel:021-34207062,E-mail: huhaitao2001@sjtu.edu.cn

V245.3

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