基于仿真的民用飛機預冷器溫度特性試驗方案分析

黃曉聃

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

板翅式換熱器具有結構緊湊、體積小和經濟性好的特點，廣泛應用于航空航天、石油化工和汽車等領域[1]。預冷器作為民機飛機環(huán)控系統(tǒng)領域溫度控制的主要部件，采用的是空-空板翅換熱器。由于大溫差換熱以及封頭變徑結構，導致預冷器熱邊出口存在明顯的不均勻溫度場，嚴重時甚至會出現(xiàn)預冷器下游不同用氣分支空氣溫度存在較大偏差的問題，極大地影響了環(huán)控系統(tǒng)的正常工作[2]。曹學文等[3]采用 MATLAB 和 FLUENT 聯(lián)合仿真方法分析板翅式換熱器內部流量分配特性對換熱器的影響，確定了流量分配不均是造成換熱器出口溫度不均勻的主要原因。李俊等[4]提出了板翅式換熱器核心體換熱的數(shù)學模型，通過 VC++語言編制程序，實現(xiàn)換熱器核心體流體溫度場分布的數(shù)值計算。李斐然等[5]采用FLUENT 與基于VC++語言程序的聯(lián)合仿真方法，對給定結構的板翅式換熱器溫度場進行仿真計算。

上述工作針對板翅式換熱器的非均勻換熱特性進行了較為深入的仿真研究，為換熱器的熱動力特性預測提供了可行的方法。由于板翅式換熱器內部結構復雜，在實際工程應用中仍需要開展必要的試驗，以獲取真實換熱器出口溫度特性，進一步確認仿真分析的正確性。在此背景下，如何開展有效的試驗，盡量準確和完整地獲取換熱器熱邊出口的非均勻溫度特性數(shù)據，就成為換熱器熱動力特性試驗方案中需要重點思考的問題。本文以某機型預冷器為研究對象，基于仿真的方法開展了預冷器核心體出口溫度場以及管路溫度場試驗測試方案的優(yōu)化分析，為預冷器的非均勻溫度特性試驗提供支持。

1 預冷器熱邊核心體均勻流試驗方案及優(yōu)化

1.1 試驗方案

預冷器由核心體和封頭結構焊接而成，通常封頭結構是一個圓轉方過渡的變徑結構。幾何結構的突變會對空氣流動造成較大影響，從而導致其流場不均勻。為了給預冷器核心體提供均勻的空氣，提出在變徑結構和核心體之間加裝過渡直段，用以提升核心體熱邊通道流場的均勻性，試驗方案如圖1所示。

1.2 試驗方案的仿真分析和優(yōu)化

考慮到核心體的流阻對前端流道流場的影響，對熱邊通道(入口封頭、過渡直段、核心體和出口延長段)做整體仿真，其中核心體采用多孔介質模型簡化[6]。因熱邊通道為對稱結構，故取其一半進行仿真計算。根據實際運行工況，設計預冷器熱邊空氣流量為2 kg/s，壓力為435 kPa，忽略核心體對環(huán)境的換熱，仿真結果如圖2和圖3所示。

圖2 預冷器熱邊通道流線圖

圖3 預冷器熱邊通道對稱截面速度矢量圖

由于預冷器進口流量和壓力較大，加之圓形管路進口位于預冷器下部，空氣通過進口封頭后，在過渡直段內形成了大尺度的回流，導致其在進入預冷器核心體時流場不均，過渡段整流效果不明顯，無法滿足試驗要求。

為進一步提升整流效果，提出在測試方案中增加孔板結構的優(yōu)化方案[7]?？装褰Y構安裝在過渡直段的進口，因預冷器熱邊入口封頭為左右對稱結構且有向下傾角，所以在設計孔板結構時，同樣采取左右對稱的形式，并將上半部分孔的尺寸設置為大于下半部分孔的尺寸(如圖4所示)。仿真分析表明(如圖5、圖6所示)：在孔板結構后方，空氣發(fā)生小尺度的回流，在過渡直段的大部分區(qū)域，氣流流動平穩(wěn)，在進入預冷器核心體時，空氣流速已經趨于平穩(wěn)，孔板結構能夠有效地對預冷器進口封頭的空氣進行整理。

圖4 孔板結構和安裝示意圖

圖5 安裝孔板結構時預冷器熱邊通道流線圖

圖6 安裝孔板結構時預冷器熱邊通道對稱截面速度矢量圖

進一步對比表明：未安裝孔板結構時核心體進口截面的空氣流速為35.6～50.8 m/s，且分布非常不均勻，下半部分區(qū)域的流速明顯高于上半部分區(qū)域。加裝孔板結構后，進口截面的空氣流速為38.3～42.1 m/s，流場的均勻性明顯提升，優(yōu)化效果明顯，能夠滿足試驗要求。

2 預冷器熱邊出口管道非均勻溫度場試驗方案優(yōu)化

2.1 試驗方案

熱電偶測溫法作為最典型的接觸式測溫法[8]，其應用廣泛、使用簡便、測量精準，但同樣缺點明顯：1)一次只能測量某一部位的局部溫度，不能代表整個被測物體的溫度，不能體現(xiàn)整個被測物體的溫度場；2)因熱電偶需進入被測溫度場中，其會對原有溫度場和流場造成一定程度的擾動，從而影響測量準確性。如何確保測溫方案在盡可能少影響流場的情況下捕獲更多的溫度場信息，將是預冷器出口管路溫度場試驗方案的關鍵?；趯嶋H的預冷器熱動力性能測試臺架，提出3種熱電偶布置方案,如圖7所示。熱電偶實際安裝位置如圖8所示。本文將通過仿真計算，分析熱電偶對管道內流場和溫度場的影響，優(yōu)化確定測溫方案。

2.2 測溫面流場仿真計算

針對上述3種熱電偶布置方案，分別對熱邊出口管道流場及測溫段進行了仿真計算，分析所布置熱電偶對原流場的影響。由于管道外部有絕熱層包覆，可以忽略管道內空氣與外界發(fā)生的熱量交換，因此管道內部溫度場的變化主要源于空氣的強迫對流。若熱電偶未對流場產生明顯影響，也就不會對溫度場產生明顯影響。因此，本文通過對管道內流場的仿真，來評估3種熱電偶布置方案對測溫面的溫度場影響，仿真結果見表1。

圖7 熱電偶布置方案

圖8 熱電偶布實際安裝位置

對比各測溫面在布置熱電偶和未布置熱電偶情況下的流場，可知：

1)因熱電偶保護管的直徑遠小于熱邊出口管段直徑，故所布置的熱電偶均未對整體流場產生明顯影響；

2)因熱電偶的阻擋，其附近空氣流速有明顯提升，導致局部流場發(fā)生變化，各熱電偶對附近流場影響程度并不相同；

3)方案二中第1、2、3和6點附近流場未發(fā)生明顯變化，而第4和5點附近流場變化明顯；

4)方案一中靠近核心體的測溫面流場與方案二中流場基本一致，表明該測溫面的流場基本未受遠離核心體的測溫面所布置熱電偶影響；

5)方案一中兩測溫面流場的差異主要體現(xiàn)在第5點，因其插入較深，對附近流場產生了較明顯的擾動，其余各點附近流場基本一致；

6)方案三中雖布置熱電偶最少，但第1點對流場產生了較為明顯的擾動，將導致其無法準確測量溫度場，且有效測溫點太少。

表1 測溫面速度場仿真結果

對3個方案中所布置的熱電偶對原流場影響的分析可知，方案一兩測溫面間距較小，流場基本一致，布置的12根熱電偶，有效測溫點為4個，因此布置兩個測溫面無實際意義。方案三中熱電偶對原流場有明顯的影響，加之傳感器數(shù)量較少，無法有效得到非均勻溫度特性。方案二中所布置的6根熱電偶有4根未對附近流場產生明顯影響，可作為有效測溫點。因此，對于預冷出口管路的非均勻溫度場試驗，采用方案二中熱電偶的布置方式是較優(yōu)的選擇。實際試驗過程中，可通過旋轉測溫段一固定的角度，以獲取更多溫度場的特征。

3 結論

本文通過對預冷器非均勻熱動力性能測試方案的分析，得出如下結論:

1) 采用孔板結構加過渡直段的測試方案，能夠很好地解決由于預冷器熱邊進口封頭帶來的預冷器核心體流量分配不均的問題，為達到更好的整流效果，孔板結構的孔徑大小要依據預冷器熱邊封頭的位置進行相應調整；

2) 在管道溫度場測量試驗中，采用單截面6根均勻布置熱電偶的方式，能夠在布置數(shù)量和有效測溫數(shù)量之間得到最優(yōu)的組合。

通過本文提出的試驗方案，能夠有效地支持預冷器核心體均勻流試驗和管路溫度場試驗，可為試驗校正非均勻溫度場仿真計算和實際溫度場特性測量提供有力支持。