高速飞行器机载综合热管理系统设计与优化

先进的高速飞行器面临着气动加热与大功率电子设备发热的双重热负荷,使得机载热沉与能量需求呈指数上升趋势,进而导致发动机性能下降、耗油量增加,严重制约着飞行器的功能和性能提升。机载热管理系统的优化设计,旨在提升系统制冷和供电性能的同时减小发动机性能损失。以Mach数Ma=1~4.4的大热负载高速飞行器为背景,针对三种机载综合热管理系统,开展适应飞行任务的系统优化设计,实现燃油热沉、外涵道引气热沉、冲压空气引气、发动机引气与飞行任务的最优匹配。研究过程采用等效质量方法,将各系统质量、能耗、气源消耗等成本统一等效为燃油代偿损失,并作为目标函数,对多种工况进行优化设计。研究结果表明：在Ma≤2时,采用外涵道空气热沉模式更为合适,但随飞行速度的进一步提高,其制冷循环压比显著上升制冷效率降低,燃油代偿损失急剧上升;基于燃油热沉的综合热管理模式更适用于Ma=2~4.5的飞行任务,其制冷循环功耗和能耗在各飞行工况下性能表现较为稳定,燃油代偿损失仅因飞行速度增大而增大;与发动机引气相比,冲压空气引气更适合Mach数较高的飞行任务规划。因此,对于巡航Ma≤2的飞行器,搭载“外涵道引气热沉+发动机引气”的机载综合热管理系统,发动机性能损失更低;对于巡航Ma=2~4.5的飞行器,搭载“燃油热沉+可切换发动机引气/冲压空气引气”的机载综合热管理系统,发动机性能最优。     

基于热电效应的高效环控系统

部分空间科学实验对环境温度有较高的要求,环境温度高于或低于空间科学系统能够提供的热沉温度,需要有可靠有效的加温降温处理措施。使用可靠性强的热电制冷片作为制冷制热方式和气液换热器二次换热来实现环境温度控制的需求,并对不同流体温度制冷制热效果进行分析,结果表明流体温度和目标温度差越小,热电制冷制热的效果越好。在环境温度制冷工况中,热电单元数量随电流增加先减少后增加,在制热工况中则单调递减,设计中需按照制冷工况进行热电单元数量的确定。当流体温度接近制冷制热的目标温度时,会出现整个系统总效率优于热电系统效率的区间。通过对热电单元和气液换热器的组合系统的性能计算,提供一种适于热电环控系统的计算方法和部件选型思路,对空间站环控系统的设计有重要参考意义。     

基于随机配置网络的机载电子吊舱多工况热模型

机载电子吊舱是搭载多功能机载电子设备的主要平台,能够显著提升战机性能。然而,不断增加的电子设备功率和高度低气压力飞行环境会造成吊舱内恶劣的热环境,严重影响电子设备的可靠性。因此,十分有必要建立准确的电子吊舱热模型,用于预测不同飞行工况下的电子设备热响应。综合热网络分析思想和随机网络算法思想,提出一种基于随机配置网络的热模型建立方法,并通过采用冲压空气冷却系统的电子吊舱实验数据加以验证。为了建立准确的舱内温度响应模型,通过传热机制将高温贮存、高温工作、低温贮存、低温故障和低温工作工况下的实验数据分为3组并分别用于建立设备贮存热模型、设备工作热模型和综合热模型,利用热网络分析获取随机配置网络的有效输入,采用四折交叉验证和灰度图分析综合确定了3个热模型的超参数。建模结果表明：3个热模型的范围序列可统一为[1～40],最大隐含层节点数可分别设为6、9、11,设备温度拟合效果较好,仅在边界条件约束下进行多工况全过程的电子设备温度预测,预测误差在3.512℃内。总体看来,该热建模方法从数据挖掘的角度较为简单、准确、快速地描述了电子设备热关系,可用于开展预期飞行环境下的机载电子吊舱温度预测,用于评估热管理系统的性能。     

复杂结构微通道热沉液体强化传热过程的热力学分析

微通道液体流动与传热是一个典型的不可逆过程,有必要减小传递过程中的不可逆损失大小,提高其有效利用程度,属于"质"的范畴。首先,根据热力学第一及第二定律,推导出了熵产率及热能传输系数,指出降低微通道热沉内液体温度梯度净值可以提高热能的有效利用程度;然后,基于前期的研究基础,设计出新型复杂结构微通道热沉,并模拟其三维流动与传热过程,对比分析微通道热沉结构的变化对熵产率及热能传输系数的影响,结果表明降低流体温度梯度的净值可以减少热能不可逆损失的大小,使热沉底面温度更均匀,有利于延长微电子器件的寿命;最后,由强化传热因子、熵产率及热能传输系数的定义指出用强化传热因子来评价微通道的综合传热性能更合理,而应该用熵产率及热能传输系数来评价能量的不可逆大小及利用程度。总之,热力学第一定律为微通道的综合传热性能提供了评价标准,而热力学第二定律指出了影响微通道内部强化传热的本质因素,二者相互联系,为微通道的优化设计提供热力学理论。     

利用高温热量计模拟研究吸热型碳氢燃料基础油的热管理能力

为了评价吸热型碳氢燃料基础油的热管理能力,设计并建立了一套高温量热装置,利用电标定法对仪器常数进行了准确标定,平均值为21.67 W•mV^-1,标准偏差0.50.选用正庚烷作为模型燃料,结合仪器的色谱分析系统对仪器量热结果的准确性进行了考察,测量误差1.7％.利用该装置评价了组成吸热型碳氢燃料NJ-150的6种基础油在700 ℃条件下的热沉值,结果显示4号基础油吸热能力最高,可达3.0 MJ•kg^-1以上,其热管理能力也最好,而6号油最低,只有2.6 MJ•kg^-1.另外还考察了各种基础油的吸热速率,同样是4号基础油具有最高吸热速率.     

动力式分离型热管——热环的研究

热环是用于非相邻冷热源间热量传递或余热回收的节能装置。本文较系统地介绍了热环的基本原理、特点 ,以及对热环循环工质、性能指标、工作温度、优化目标函数等的理论分析和三种典型热环装置的实验结果     

机载冷源参数对蒸发循环系统性能的影响

为了深入研究机载蒸发循环系统的工作特性及为搭建仿真计算模型做准备,基于试验室已有设备和条件,以一台新型微通道换热器作为研究对象,以R134a为工质,通过控制压缩机转速和电子膨胀阀开度一定,分别调节冷源温度和流量,考察冷源温度和流量对压缩机入口过热度、热源出口温度和制冷量的影响,并基于试验数据搭建了针对该蒸发器的仿真计算模型。试验结果表明在试验工况下,冷源防冻液入口温度对系统性能的影响明显,随冷源入口温度升高,压缩机入口过热度逐渐降低、热源出口温度明显升高,但冷源流量对系统性能的影响不显著。基于试验数据,建立了蒸发器仿真计算模型,将该模型应用于蒸发循环系统模型中,对比试验数据和仿真计算数据,可知,该蒸发器仿真计算模型准确可靠,可用于针对该蒸发器的性能仿真计算。     

相变材料用于质子交换膜燃料电池的热管理

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因能量转化率高且环境友好,成为新一代能源动力的选择。通过分析温度对PEMFC运行性能的重要影响说明对电池进行有效热管理的重要性,按照主动冷却和被动冷却的分类方式对目前PEMFC热管理的研究现状进行归纳和综述,着重介绍运用相变材料的电池热管理系统中材料的选择和强化传热的方法,并对该领域未来研究方向进行了展望。     

复杂结构微通道热沉液体强化传热过程的热力学分析

微通道液体流动与传热是一个典型的不可逆过程,有必要减小传递过程中的不可逆损失大小,提高其有效利用程度,属于“质”的范畴。首先,根据热力学第一及第二定律,推导出了熵产率及热能传输系数,指出降低微通道热沉内液体温度梯度净值可以提高热能的有效利用程度;然后,基于前期的研究基础,设计出新型复杂结构微通道热沉,并模拟其三维流动与传热过程,对比分析微通道热沉结构的变化对熵产率及热能传输系数的影响,结果表明降低流体温度梯度的净值可以减少热能不可逆损失的大小,使热沉底面温度更均匀,有利于延长微电子器件的寿命;最后,由强化传热因子、熵产率及热能传输系数的定义指出用强化传热因子来评价微通道的综合传热性能更合理,而应该用熵产率及热能传输系数来评价能量的不可逆大小及利用程度。总之,热力学第一定律为微通道的综合传热性能提供了评价标准,而热力学第二定律指出了影响微通道内部强化传热的本质因素,二者相互联系,为微通道的优化设计提供热力学理论。     

基于动态传热模型的反应器温度振荡量热法研究

为研究温度振荡量热法对反应器传热因子（UA）和反应热（Qr）的动态估计性能,基于热平衡理论建立了一种通用的反应器模型,模拟研究了放热工况、夹套介质流速和反应器体积对该方法估计结果的影响,并使用系统的总体时间常数（τ’）对振荡量热法适用性进行量化评价。结果表明：温度振荡量热法适用于放热速率平稳的反应过程,建议在5 L以内的小型反应器中应用温度振荡量热技术,对于体积较大的反应器或变化剧烈的放热反应过程,需要增加夹套油液流速以提高τ’的大小。τ’的建议值应小于900s,随着该值的增加,振荡周期将逐渐延长,反应过程中UA和Qr的整体估计质量也会逐渐降低。研究结果阐明了温度振荡量热法的适用性,对反应器系统的开发有重要意义。     

高速飞行器燃油热管理系统飞行热航时

目前高速飞行器机载热负荷呈指数上升趋势,而由于气动加热作用,机身温度随航时增长也持续上升,这两者严重限制了高速飞行器的续航时间和电子设备的使用时长。燃油作为飞行器所必须携带的大比热容液体工质,是机载热沉的优选。燃油热沉利用会受气动加热、耗油量、飞行时长的综合影响。本文以机载燃油热沉为核心,研究高速飞行器燃油热管理系统参数设计对飞行热航时的影响。建立了燃油-消耗性冷却剂热利用系统的动态特性方程,并提出热航时的概念以衡量热负荷作用下燃油不发生超温的飞行时长,详细讨论了上述各影响因素与热利用系统参数对热航时的影响。上述研究可为高速飞行器热管理系统设计选型提供参考。     

高温甲醇燃料电池热管理系统设计

针对某型号高温甲醇燃料电池单电池模块,以实现精确控温、快速启动为目的进行了燃料电池热管理系统的设计、制造和测试。应用Matlab/Simulink平台开发了一种拟合简化方程的控制系统算法及其仿真计算平台,并对所设计的控制算法进行了仿真计算;同时对燃料电池内外传热介质循环回路及冷却系统换热器进行了重新设计与样件试制。完成了热管理系统单电池模块运行试验,将实测数据与仿真计算结果进行了对比分析。试验结果表明,所设计热管理系统成功将电池预热时间缩短了678s,稳定工况下冷却介质温度误差保持在±2℃以内,达到了预定的设计要求。样件试制及测试结果验证了热管理系统设计的可行性、准确性及实用性,为今后高温甲醇燃料电池热管理系统设计优化提供了理论和实际参考。     

圆柱形锂离子电池模组微通道液冷热模型

针对电动汽车电堆的热管理系统,建立了包含71节18650型锂离子电池的电池模组的微通道液冷热模型。该模型集总处理单电池热过程、电池生热基于实测结果,模型还特别考虑了电池间导热。基于该模型,模拟研究了放电倍率、冷却液入口流速、电池间接触面积以及电池与水冷管外壁接触面积对电池模组热行为的影响。模拟结果证实了该微通道液冷方案对动力电池模组热管理的有效性,并且发现：放电倍率的增加会使电池模组内单电池温度增加、模组内温度一致性变差;增大冷却液流量可以显著降低电池模组的温度,并改善其温度一致性;增大电池间接触面积可略微提升电池模组温度一致性,但对控制其最高温度作用有限;增大电池与液冷管外壁接触面积可显著降低电池模组内电池的最高温度,但会使其温度一致性变差。     

Thermal and hydrodynamic characteristics of constructal tree‐shaped minichannel heat sink

A three‐dimensional thermal and hydrodynamic model for constructal tree‐shaped minichannel heat sink is developed. The heat and fluid flow in the constructal heat sink with an inlet hydraulic diameter of 4 mm are numerically analyzed, taking into consideration conjugate heat transfer in the channel walls. The pressure drop, temperature uniformity, and coefficient of performance (COP) of the constructal tree‐shaped heat sink are evaluated and compared with those of the corresponding traditional serpentine flow pattern. The results indicate that the constructal tree‐shaped minichannel heat sinks have considerable advantages over the traditional serpentine flow patterns in both heat transfer and pressure drop. The strong and weak heat flow can be effectively allocated in tree‐shaped flow structures; hence, the inherent advantage of uniform temperature on the heating surface in the constructal tree‐shaped heat sink is demonstrated. And in tree‐shaped flow structures, the local pressure loss due to confluence flow is found to be larger than that due to diffluence flow. In addition, an aluminum constructal tree‐shaped minichannel heat sink is fabricated to conduct the verification experiment. The experimentally measured temperature distribution and pressure drop are in agreement with the numerical simulation, which verifies that the present model is reasonable. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2010     

翅片式锂电池热管理系统散热性能的实验研究

锂电池在使用时会持续产热,作为电动汽车电源使用时若不采取有效的热管理措施,可能导致其温度过高、电池单体间温差过大,从而影响其性能和寿命.目前电池热管理系统多采用强制风冷、循环液冷、相变冷却、热管冷却等方法,结构复杂且成本较高.本文采用纯铜翅片式电池热管理系统并进行了实验研究,通过改变放电倍率和翅片厚度,研究了电池组在不同工况下的热特性.结果表明:自然对流条件下,加装翅片可显著抑制电池组温度过高,并可改善电池组温度分布的均匀性;增加翅片厚度可满足高放电倍率和深度放电时的温度要求.     

基于热管技术的锂离子动力电池散热系统

基于对大功率锂离子动力电池温升和温度场分布的研究,设计了一种基于热管技术的锂离子动力电池散热模块。实验结果表明,采用所设计的散热模块能够有效降低电池壁面温度,使其壁面最高温度低于40℃,与无热管理条件相比降幅高达10℃,满足锂离子动力电池最佳工作温度范围。对散热模块与纯热管的散热性能进行对比,发现散热模块比单纯使用热管的散热效果和均温效果更好。此外,采用有限元模拟软件Fluent分析复合风冷翅片和U型热管模块蒸发段几何尺寸对散热模块性能的影响,发现复合风冷翅片能够有效提高模块散热性能以及不同的蒸发段几何分布会影响电池壁面温度和温度场分布。当U型热管蒸发段的垂直段和水平段长度比为1时,散热模块散热性能最好。     

干-湿冷却系统对空冷机组热经济性影响的分析

受环境温度影响, 空冷机组夏季工况的运行背压高, 严重限制了机组的带负荷能力, 并影响机组的热经济性和安全性。分析了一种干-湿混合冷却系统, 将汽轮机排汽分流出一部分通过循环水冷却, 以降低机组夏季工况背压。建立了干-湿混合冷却系统对机组热经济性影响的数学模型, 并以某330 MW直接空冷机组为例揭示了机组背压和净功率随主蒸汽流量、湿冷分流量以及环境温度的变化规律。结果表明:主蒸汽流量为1120 t·h^-1、湿冷分流量为175 t·h^-1时, 机组出力从326.266 MW达到330 MW满负荷运行, 提高了3.734 MW, 背压由46.8 kPa下降到31.9 kPa, 机组的热耗率降低了110.9 kJ·(kW·h)^-1, 发电标准煤耗率降低了4 g·(kW·h)^-1。