蒙皮換熱器性能研究與地面試驗(yàn)

劉劍飛 李喬喬

摘 要：采用低耗能被動(dòng)換熱方式設(shè)計(jì)出蒙皮換熱器，利用外界大氣作為熱沉，降低了飛機(jī)能耗，減輕了機(jī)載質(zhì)量。由于高空大氣環(huán)境參數(shù)復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣件，并通過前期地面試驗(yàn)研究工作，獲得熱邊流動(dòng)傳熱準(zhǔn)則與冷邊外界環(huán)境大氣對流換熱系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，推算出高空飛機(jī)巡航狀態(tài)下的蒙皮換熱器性能。

關(guān)鍵詞：蒙皮換熱器;地面試驗(yàn);對流換熱系數(shù);電子設(shè)備散熱

中圖分類號(hào)：V243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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 蒙皮換熱器的熱控系統(tǒng)

目前，電子設(shè)備熱載荷越來越大，普通氣-氣換熱器體積大、換熱效率低、質(zhì)量大，已無法滿足高功率電子設(shè)備的散熱，液冷熱控系統(tǒng)即氣-液、液-液換熱器成為發(fā)展趨勢。蒙皮換熱器將外界環(huán)境大氣作為熱沉，內(nèi)部流入液冷熱控系統(tǒng)熱工質(zhì)，是一種氣-液換熱器，其多安裝于駕駛艙或電子設(shè)備艙[1]。為提高換熱效率，可將蒙皮換熱器與來流大氣形成一定的傾角，使來流大氣射向蒙皮換熱器外表面。此種熱控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能耗低、設(shè)備少、艙內(nèi)體積占用比小，熱沉為環(huán)境大氣，冷側(cè)無須功耗，可根據(jù)散熱功率的不同調(diào)整與大氣的接觸面積[2]。

2 蒙皮換熱器結(jié)構(gòu)

為了提高換熱效率、降低成型工藝難度，蒙皮換熱器內(nèi)部流道采用單層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部流道可根據(jù)換熱性能要求選用不同的換熱元件和流程數(shù)，且內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)方向在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許的條件下，應(yīng)設(shè)計(jì)為與來流空氣形成逆流或逆叉流的流動(dòng)方式[3];蒙皮換熱器外表面可根據(jù)換熱性能、質(zhì)量、飛機(jī)隱身性能等要求考慮是否增加二次傳熱面積，但同時(shí)也會(huì)對質(zhì)量、隱身性能、成型工藝難度等造成一定影響。

3 蒙皮換熱器性能理論研究

蒙皮換熱器安裝于飛機(jī)機(jī)身表面，外側(cè)與機(jī)身蒙皮共形[4]。基于其工作方式和換熱原理，蒙皮換熱器適宜安裝于前機(jī)身部分，根據(jù)安裝位置的不同，可與來流空氣形成一定的迎風(fēng)角，從而改變蒙皮換熱器換熱效率。當(dāng)蒙皮換熱器與來流空氣夾角為零，即蒙皮換熱器與來流空氣平行時(shí)，可認(rèn)為全部來流空氣通過水平橫掠方式流過蒙皮換熱器表面，與蒙皮換熱器表面進(jìn)行熱交換的空氣分子最少，此時(shí)，蒙皮換熱器換熱效率應(yīng)為最小。筆者主要研究蒙皮換熱器換熱效率最小時(shí)的性能狀態(tài)[5]。

3.1 蒙皮換熱器工況參數(shù)

冷側(cè)：蒙皮換熱器外側(cè)有效表面積，即冷側(cè)有效換熱面積F空=100 800 mm2，飛機(jī)飛行環(huán)境下，環(huán)境大氣流經(jīng)蒙皮換熱器外表面，飛行高度13 km，馬赫數(shù)0.55，大氣環(huán)境溫度-56.5 ℃，環(huán)境壓強(qiáng)16.58 kPa。

熱側(cè)：蒙皮換熱器內(nèi)部有流體流道，起到二次傳熱的效果，其總有效換熱面積F熱=0.266 886 mm2，進(jìn)口溫度ti=54 ℃，流量G=0.23 034 kg/s，比熱Cp=1 090 J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.061 W/（m·℃），動(dòng)力黏度μ=9.43×10-4 Pa·S，普朗特?cái)?shù)Pr=17，密度ρ=1 725 kg/m3。熱側(cè)流道高度為3 mm。

3.2 蒙皮換熱器性能理論分析

3.2.1 蒙皮換熱器換熱性能理論分析。冷側(cè)：流經(jīng)蒙皮換熱器外表面的環(huán)境大氣經(jīng)氣動(dòng)加熱后的溫度計(jì)算公式為[6]：

式中：TH為外界大氣溫度，℃;M為飛行馬赫數(shù);η為恢復(fù)系數(shù)，對于層流η=0.84，對于紊流η=0.89;k為絕熱指數(shù)，1.4。

由式（1）得出，T=-44.8 ℃，可得出此狀態(tài)下空氣的物性。

本文主要研究蒙皮換熱器換熱效率最小時(shí)的性能狀態(tài)。此時(shí)，可依據(jù)氣流橫掠平板公式進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算[7]。

α=0.029 6Re0.8Pr0.4λ/x（2）

式中：Pr為普朗特?cái)?shù)，0.736;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，0.021 W/（m·℃）;ρ為空氣密度，0.253 kg/m3;Re為雷諾數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中：x為附面層起始距離，根據(jù)蒙皮換熱器假設(shè)尺寸，在此定為0.26 m;v為氣流速度，162 m/s;μ為動(dòng)力黏度，取1.52×10-5 Pa·s。

由式（2）得出，蒙皮換熱器外側(cè)空氣對流換熱系數(shù)α為100.4 W/（m2·℃），則α熱F=16 W/℃。

熱側(cè)的當(dāng)量直徑為：

式中：A為流通面積，m2;L為潤濕周邊，m，代入上述數(shù)據(jù)可得，De=0.002 85 m。熱側(cè)工質(zhì)在流道內(nèi)部的質(zhì)量流速w為810 kg/（m2·s）;雷諾數(shù)Re為2 448。

由式（3）得，蒙皮換熱器內(nèi)部熱工質(zhì)對流換熱系數(shù)α為713 W/（m2·℃），則α熱F熱=190 W/℃。

基于上述推算可得出，蒙皮換熱器在本文工況參數(shù)下，其換熱量可達(dá)到[8]：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6），得蒙皮換熱器換熱量Q為1 413 W。

式中：t0為熱側(cè)出口溫度。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（9），得出t0=48.3 ℃（見圖1）。

3.2.2 蒙皮換熱器流阻性能理論分析。蒙皮換熱器流阻主要分為沿程阻力損失、進(jìn)口壓力損失（收縮阻力損失）和出口壓力損失（擴(kuò)大阻力損失）。

質(zhì)量流速w=810 kg/（m2·s），流動(dòng)長度L=0.96 m，換熱器芯體沿程阻力損失ΔP1=14 969 Pa。

封頭到芯體的突縮、突擴(kuò)阻力損失設(shè)計(jì)為兩流程，因此流體在兩側(cè)封頭處共有兩次突縮和突擴(kuò)損失。

阻力系數(shù)K’=0.23，K”=0.13，封頭到芯體的流阻ΔP2=137 Pa;蒙皮換熱器封頭內(nèi)工質(zhì)90°轉(zhuǎn)彎阻力損失ΔP3=724 Pa。

進(jìn)、出口管內(nèi)部沿程阻力損失ΔP4=1 380 Pa;進(jìn)、出口管內(nèi)工質(zhì)90°轉(zhuǎn)彎阻力損失ΔP5=4 468 Pa。

總阻力損失為：

4 蒙皮換熱器性能仿真研究

蒙皮換熱器為曲面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)計(jì)算方法無法精確獲得其性能指標(biāo)。由此，通過傳統(tǒng)理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)模擬仿真相結(jié)合的方法得出蒙皮換熱器性能，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，以得到較為準(zhǔn)確的蒙皮換熱器性能指標(biāo)。圖2為蒙皮換熱器的三維仿真數(shù)學(xué)模型，其模型外形尺寸、內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)均與本文理論分析計(jì)算參數(shù)相同。

4.1 蒙皮換熱器換熱性能仿真分析

根據(jù)理論分析計(jì)算時(shí)的參數(shù)設(shè)定蒙皮換熱器模擬仿真的各個(gè)參數(shù)。蒙皮換熱器內(nèi)部工質(zhì)進(jìn)口溫度ti=54 ℃=327 K，流量G=0.230 34 kg/s，比熱Cp=1 090 J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.061 W/（m·℃），動(dòng)力黏度μ=9.43×10-4 Pa·S，普朗特?cái)?shù)Pr=17，密度ρ=1 725 kg/m3，高度為3 mm，換熱量Q=1 400 W。經(jīng)仿真可得蒙皮換熱器出口溫度約為320 K，即48 ℃，與理論分析熱側(cè)計(jì)算出口溫度48.3 ℃基本一致。溫度分布如圖3所示。

4.2 蒙皮換熱器流阻性能仿真分析

依據(jù)同樣的設(shè)定方法設(shè)置蒙皮換熱器仿真參數(shù)，蒙皮換熱器進(jìn)口流量為0.230 34 kg/s，出口壓強(qiáng)為環(huán)境大氣壓強(qiáng)，即0.1 MPa。壓強(qiáng)分布見圖4。經(jīng)過仿真得出進(jìn)、出口壓差約為20 kPa，與理論分析計(jì)算流阻21.678 kPa基本一致。

經(jīng)理論分析計(jì)算與計(jì)算機(jī)模擬仿真對比可知，二者結(jié)果非常接近，蒙皮換熱器性能分析方法較為準(zhǔn)確。

5 蒙皮換熱器地面性能試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述研究結(jié)果，搭建了地面研究試驗(yàn)臺(tái)，完成了蒙皮換熱器地面性能試驗(yàn)，獲得了對應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)產(chǎn)品依據(jù)仿真數(shù)模研制，其外形近似于飛機(jī)蒙皮曲面，尺寸以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)均與仿真數(shù)模相同。

地面試驗(yàn)將蒙皮換熱器嵌入風(fēng)道段中，利用風(fēng)機(jī)提供來流空氣，空氣流量根據(jù)理論分析參數(shù)換算而成。經(jīng)地面試驗(yàn)，得出蒙皮換熱器在13 km試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，其熱側(cè)出口溫度約為47 ℃，流阻約為30 kPa，與理論分析較為接近，經(jīng)分析，其原因可能有以下幾點(diǎn)。

第一，蒙皮換熱器進(jìn)行換熱理論分析時(shí)，僅考慮外側(cè)與環(huán)境大氣間的換熱，其余各面均假設(shè)為絕熱壁面。地面試驗(yàn)時(shí)，由于其余各面均與環(huán)境空氣進(jìn)行換熱，導(dǎo)致熱側(cè)試驗(yàn)出口溫度低于理論分析結(jié)果。

第二，蒙皮換熱器進(jìn)行流阻理論分析時(shí)，流道依據(jù)平直通道進(jìn)行計(jì)算。地面試驗(yàn)時(shí)，蒙皮換熱器近似為扇形曲面結(jié)構(gòu)，各流道均存在一定的轉(zhuǎn)彎損失，導(dǎo)致試驗(yàn)流阻高于理論分析結(jié)果。

6 結(jié)論

通過蒙皮換熱器的理論分析計(jì)算、計(jì)算機(jī)模擬仿真以及地面性能試驗(yàn)，并進(jìn)行三者的對比分析，獲得了蒙皮換熱器內(nèi)部工質(zhì)對流換熱系數(shù)、流動(dòng)阻力和外側(cè)空氣對流換熱系數(shù)的計(jì)算方法。依據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，可推算出蒙皮換熱器在高空實(shí)際使用時(shí)的性能。本研究分析均基于蒙皮換熱器與來流空氣夾角為0的狀況，若二者形成一定的夾角，在流阻保持不變的情況下，可進(jìn)一步提高蒙皮換熱器的換熱性能。

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