基于DPM模型的U形管道內燃油壓降及換熱特性研究

王新河 李迪 紀學瑋 徐擎立 焦兆才 劉翔 張?zhí)靵?

摘要：為探究民用航空器燃油系統(tǒng)換熱器內燃油流動特性和換熱特性的規(guī)律，本文建立了換熱器的U形管道簡化模型，利用DPM模型進行了數值模擬研究，對比了附加質量力和含水率對管道壓降與傳熱的影響。研究結果表明，壓降計算受到附加質量力和含水率的影響，加入附加質量力和含水率增高會使壓降計算升高，但附加質量力和含水率對管道出口溫度影響較小。另一方面，在U形管道中，彎管區(qū)域的換熱效果遠強于直管區(qū)域，且隨著含水率的增高，換熱效果隨之增強。

Abstract： In order to explore the laws of fuel flow characteristics and heat transfer characteristics in the heat exchanger of the civil aircraft fuel system， a simplified model of the U-shaped pipe of the heat exchanger is established in this paper， and the DPM model is used to conduct a numerical simulation study， and compare the additional mass force and The effect of moisture content on pressure drop and heat transfer in pipes. The research results show that the calculation of pressure drop is affected by the additional mass force and water content. Adding additional mass force and water content will increase the pressure drop calculation， but the additional mass force and water content have little effect on the outlet temperature of the pipeline. On the other hand， in the U-shaped pipe， the heat transfer effect of the elbow area is much stronger than that of the straight pipe area， and with the increase of the water content， the heat transfer effect is enhanced.

關鍵詞：燃油系統(tǒng)換熱器;流動特性;換熱特性;壓降

Key words： fuel system heat exchanger;flow characteristics;heat transfer characteristics;pressure drop

中圖分類號：TK474.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0033-03

0 ?引言

自2020年年初新冠疫情爆發(fā)至今，民航業(yè)實現了觸底反彈，隨著疫情被控制住，民航業(yè)務逐漸復蘇，空中航線的數量呈現出上升的趨勢。為了提高飛行效率，更多的極地航路被開發(fā)出來作為飛行航線[1]。然而，在極地飛行的過程中，飛機長時間處于低溫的工作環(huán)境，燃油中的水會結成冰，當冰堵塞油濾、閥門等設備時，就會造成系統(tǒng)故障，著名的“冰殤事件”就是由于燃油管道上的冰脫落堵塞了燃油熱交換器導致的[2]。

因此，管道內多相流流動的流動、換熱特性等內容開始受到越來越的學者的關注。徐立等[3]利用多相流混合模型對換熱管道的海水—冰晶兩相流的換熱特性進行了數值仿真，結果表明了流速對于換熱效果的顯著影響。陳志華等[4]對管道穩(wěn)態(tài)流動非均勻溫度場進行了研究，結果表明管道溫度場受到原油入口溫度、入口流速、保溫層厚度及保溫層與外部的換熱系數的影響。馬英[5]利用多相流混合模型研究了典型工況下，直接空冷式凝汽器中的翅片管管內蒸汽的流動與凝結換熱情況。

基于此，本文將開展航空燃油系統(tǒng)換熱器中燃油的壓降及換熱特性仿真模擬研究，構建航空燃油換熱器管道簡化模型，利用ANSYS FLUENT分析燃油中的水對燃油壓降及換熱特性的影響規(guī)律。本文研究成果對航空器燃油系統(tǒng)換熱器內燃油流動和換熱特性的研究具有一定意義。

1 ?DPM模型驗證

1.1 DPM數學模型

我國民航標準為燃油的體積含水率不超過0.2%[6]，同時考慮到高空飛行時外部潮熱的空氣攜帶的水分通過通風油箱進入油箱發(fā)生冷凝等原因[7]，本文認為燃油熱交換器中燃油的含水率不超過1%，因此，選用DPM模型[8]建立控制方程，分別采用歐拉體系和拉格朗日體系建立航空燃油控制方程和水滴控制方程。

1.2 可行性驗證

為證明DPM模型的計算準確性，本文參考文獻[9]中的實驗條件和數據，與數值模擬的結果進行對比，對比結果如圖1所示。圖1橫坐標為油相所占體積比例ɑ，縱坐標為單位長度下，混合流壓降與單相水壓降的比值，即ΔPm/ΔPw。由圖1可知，使用DPM模型進行仿真模擬得到的結果貼近于實驗結果，證明DPM模型的計算準確性較高。