蒙皮换热器性能研究与地面试验

刘剑飞 李乔乔

摘 要：采用低耗能被动换热方式设计出蒙皮换热器，利用外界大气作为热沉，降低了飞机能耗，减轻了机载质量。由于高空大气环境参数复杂，因此设计试验样件，并通过前期地面试验研究工作，获得热边流动传热准则与冷边外界环境大气对流换热系数。在此基础上，推算出高空飞机巡航状态下的蒙皮换热器性能。

关键词：蒙皮换热器;地面试验;对流换热系数;电子设备散热

中图分类号：V243 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： The skin heat exchanger was designed by adopting a low energy consumption passive heat exchange method， using the outside atmosphere as a heat sink， reducing the energy consumption of the aircraft and reducing the weight of the aircraft. Due to the complexity of the high-altitude atmospheric environment parameters， the test samples were designed， and through the preliminary ground test research work， the hot-side flow and heat transfer criteria and the cold-side ambient air convection heat transfer coefficient were obtained. On this basis， the performance of the skin heat exchanger in the cruising state of the high-altitude aircraft is calculated.

Keywords： skin heat exchanger;ground test;convective heat transfer coefficient;electronic device cooling

1 蒙皮换热器的热控系统

目前，电子设备热载荷越来越大，普通气-气换热器体积大、换热效率低、质量大，已无法满足高功率电子设备的散热，液冷热控系统即气-液、液-液换热器成为发展趋势。蒙皮换热器将外界环境大气作为热沉，内部流入液冷热控系统热工质，是一种气-液换热器，其多安装于驾驶舱或电子设备舱[1]。为提高换热效率，可将蒙皮换热器与来流大气形成一定的倾角，使来流大气射向蒙皮换热器外表面。此种热控系统的优点是能耗低、设备少、舱内体积占用比小，热沉为环境大气，冷侧无须功耗，可根据散热功率的不同调整与大气的接触面积[2]。

2 蒙皮换热器结构

为了提高换热效率、降低成型工艺难度，蒙皮换热器内部流道采用单层结构，内部流道可根据换热性能要求选用不同的换热元件和流程数，且内部工质流动方向在结构设计允许的条件下，应设计为与来流空气形成逆流或逆叉流的流动方式[3];蒙皮换热器外表面可根据换热性能、质量、飞机隐身性能等要求考虑是否增加二次传热面积，但同时也会对质量、隐身性能、成型工艺难度等造成一定影响。

3 蒙皮换热器性能理论研究

蒙皮换热器安装于飞机机身表面，外侧与机身蒙皮共形[4]。基于其工作方式和换熱原理，蒙皮换热器适宜安装于前机身部分，根据安装位置的不同，可与来流空气形成一定的迎风角，从而改变蒙皮换热器换热效率。当蒙皮换热器与来流空气夹角为零，即蒙皮换热器与来流空气平行时，可认为全部来流空气通过水平横掠方式流过蒙皮换热器表面，与蒙皮换热器表面进行热交换的空气分子最少，此时，蒙皮换热器换热效率应为最小。笔者主要研究蒙皮换热器换热效率最小时的性能状态[5]。

3.1 蒙皮换热器工况参数

冷侧：蒙皮换热器外侧有效表面积，即冷侧有效换热面积F空=100 800 mm2，飞机飞行环境下，环境大气流经蒙皮换热器外表面，飞行高度13 km，马赫数0.55，大气环境温度-56.5 ℃，环境压强16.58 kPa。

热侧：蒙皮换热器内部有流体流道，起到二次传热的效果，其总有效换热面积F热=0.266 886 mm2，进口温度ti=54 ℃，流量G=0.23 034 kg/s，比热Cp=1 090 J/（kg·℃），导热系数λ=0.061 W/（m·℃），动力黏度μ=9.43×10-4 Pa·S，普朗特数Pr=17，密度ρ=1 725 kg/m3。热侧流道高度为3 mm。

3.2 蒙皮换热器性能理论分析

3.2.1 蒙皮换热器换热性能理论分析。冷侧：流经蒙皮换热器外表面的环境大气经气动加热后的温度计算公式为[6]：

式中：TH为外界大气温度，℃;M为飞行马赫数;η为恢复系数，对于层流η=0.84，对于紊流η=0.89;k为绝热指数，1.4。

由式（1）得出，T=-44.8 ℃，可得出此状态下空气的物性。

本文主要研究蒙皮换热器换热效率最小时的性能状态。此时，可依据气流横掠平板公式进行相应计算[7]。

α=0.029 6Re0.8Pr0.4λ/x（2）

式中：Pr为普朗特数，0.736;λ为导热系数，0.021 W/（m·℃）;ρ为空气密度，0.253 kg/m³;Re为雷诺数，其计算公式为：

式中：x为附面层起始距离，根据蒙皮换热器假设尺寸，在此定为0.26 m;v为气流速度，162 m/s;μ为动力黏度，取1.52×10-5 Pa·s。

由式（2）得出，蒙皮换热器外侧空气对流换热系数α为100.4 W/（m2·℃），则α热F=16 W/℃。

热侧的当量直径为：

式中：A为流通面积，m2;L为润湿周边，m，代入上述数据可得，De=0.002 85 m。热侧工质在流道内部的质量流速w为810 kg/（m2·s）;雷诺数Re为2 448。

由式（3）得，蒙皮换热器内部热工质对流换热系数α为713 W/（m2·℃），则α热F热=190 W/℃。

基于上述推算可得出，蒙皮换热器在本文工况参数下，其换热量可达到[8]：

将相关数据代入式（6），得蒙皮换热器换热量Q为1 413 W。

式中：t0为热侧出口温度。将相关数据代入式（9），得出t0=48.3 ℃（见图1）。

3.2.2 蒙皮换热器流阻性能理论分析。蒙皮换热器流阻主要分为沿程阻力损失、进口压力损失（收缩阻力损失）和出口压力损失（扩大阻力损失）。

质量流速w=810 kg/（m2·s），流动长度L=0.96 m，换热器芯体沿程阻力损失ΔP1=14 969 Pa。

封头到芯体的突缩、突扩阻力损失设计为两流程，因此流体在两侧封头处共有两次突缩和突扩损失。

阻力系数K’=0.23，K”=0.13，封头到芯体的流阻ΔP2=137 Pa;蒙皮换热器封头内工质90°转弯阻力损失ΔP3=724 Pa。

进、出口管内部沿程阻力损失ΔP4=1 380 Pa;进、出口管内工质90°转弯阻力损失ΔP5=4 468 Pa。

总阻力损失为：

4 蒙皮换热器性能仿真研究

蒙皮换热器为曲面不规则结构，利用传统计算方法无法精确获得其性能指标。由此，通过传统理论计算与计算机模拟仿真相结合的方法得出蒙皮换热器性能，并进行相应的试验验证，以得到较为准确的蒙皮换热器性能指标。图2为蒙皮换热器的三维仿真数学模型，其模型外形尺寸、内部流道结构均与本文理论分析计算参数相同。

4.1 蒙皮换热器换热性能仿真分析

根据理论分析计算时的参数设定蒙皮换热器模拟仿真的各个参数。蒙皮换热器内部工质进口温度ti=54 ℃=327 K，流量G=0.230 34 kg/s，比热Cp=1 090 J/（kg·℃），导热系数λ=0.061 W/（m·℃），动力黏度μ=9.43×10-4 Pa·S，普朗特数Pr=17，密度ρ=1 725 kg/m3，高度为3 mm，换热量Q=1 400 W。经仿真可得蒙皮换热器出口温度约为320 K，即48 ℃，与理论分析热侧计算出口温度48.3 ℃基本一致。温度分布如图3所示。

4.2 蒙皮换热器流阻性能仿真分析

依据同样的设定方法设置蒙皮换热器仿真参数，蒙皮换热器进口流量为0.230 34 kg/s，出口压强为环境大气压强，即0.1 MPa。压强分布见图4。经过仿真得出进、出口压差约为20 kPa，与理论分析计算流阻21.678 kPa基本一致。

经理论分析计算与计算机模拟仿真对比可知，二者结果非常接近，蒙皮换热器性能分析方法较为准确。

5 蒙皮换热器地面性能试验研究

为了进一步验证上述研究结果，搭建了地面研究试验台，完成了蒙皮换热器地面性能试验，获得了对应试验数据。本次试验产品依据仿真数模研制，其外形近似于飞机蒙皮曲面，尺寸以及内部结构均与仿真数模相同。

地面试验将蒙皮换热器嵌入风道段中，利用风机提供来流空气，空气流量根据理论分析参数换算而成。经地面试验，得出蒙皮换热器在13 km试验点时，其热侧出口温度约为47 ℃，流阻约为30 kPa，与理论分析较为接近，经分析，其原因可能有以下几点。

第一，蒙皮换热器进行换热理论分析时，仅考虑外侧与环境大气间的换热，其余各面均假设为绝热壁面。地面试验时，由于其余各面均与环境空气进行换热，导致热侧试验出口温度低于理论分析结果。

第二，蒙皮换热器进行流阻理论分析时，流道依据平直通道进行计算。地面试验时，蒙皮换热器近似为扇形曲面结构，各流道均存在一定的转弯损失，导致试验流阻高于理论分析结果。

6 结论

通过蒙皮换热器的理论分析计算、计算机模拟仿真以及地面性能试验，并进行三者的对比分析，获得了蒙皮换热器内部工质对流换热系数、流动阻力和外侧空气对流换热系数的计算方法。依据获得的数据，可推算出蒙皮换热器在高空实际使用时的性能。本研究分析均基于蒙皮换热器与来流空气夹角为0的状况，若二者形成一定的夹角，在流阻保持不变的情况下，可进一步提高蒙皮換热器的换热性能。

参考文献：

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998：143-146.

[2]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：228-229.

[3]SPROUSE J. F-22 Environmental Control/thermal Management Fluid Transport Optimization[J]. SAE Transactions，2000（1）：359-364.

[4]寿荣中，何慧姗.飞行器空气调节[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990：145-160.

[5]党晓民，庞丽萍，林贵平.基于地面实验的蒙皮换热器高空换热性能分析[J].北京航空航天大学学报，2013（4）：474-477.

[6]钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2006：85-96.

[7]齐铭.制冷附件[M].北京：中国航空工业出版社，1995：142-157.

[8]毛希澜.换热器设计[M].北京：上海科学技术出版社，1988：63-86.

3541500338202