基于AMEsim的機(jī)載冷凝器換熱性能數(shù)值模擬

張永宏，劉宸旭

(1.重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 重慶 404000； 2.山東大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東 青島 266237)

隨著多任務(wù)飛行器的快速發(fā)展，其系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的無(wú)效熱載荷呈指數(shù)式上漲，直接影響到座艙、設(shè)備艙等重要艙室的環(huán)境穩(wěn)定性，因此，對(duì)機(jī)載制冷系統(tǒng)的冷卻需求[1-5]不斷提高。目前，裝載于多任務(wù)飛行器上的制冷系統(tǒng)多為蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，而冷凝器作為連接外界沖壓空氣與內(nèi)部閉環(huán)系統(tǒng)的媒介，起著熱量傳輸?shù)淖饔?，其性能的?yōu)劣直接影響到機(jī)載制冷系統(tǒng)的制冷效果。

機(jī)載冷凝器多為空-液熱交換器，即參與換熱的工質(zhì)為外界沖壓空氣與系統(tǒng)內(nèi)相變制冷劑[6]。目前，某型號(hào)飛行器機(jī)載冷凝器主體設(shè)計(jì)主要依靠試驗(yàn)的方法，但是試驗(yàn)具有所需周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，應(yīng)用軟件仿真輔助設(shè)計(jì)，可以達(dá)到縮短研發(fā)周期、降低研制成本的目的[7]?，F(xiàn)階段的機(jī)載冷凝器制冷量較小，為5 kW左右，難以滿足日益增長(zhǎng)的熱負(fù)荷。

本研究針對(duì)上述需求，首先，以某型號(hào)飛行器上的機(jī)載冷凝器為樣本，闡述換熱機(jī)理，建立高制冷量的機(jī)載冷凝器數(shù)值仿真模型并驗(yàn)證其可靠性；然后，分析不同迎面風(fēng)速下的換熱性能；最后，從實(shí)際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，分析極端工況下的機(jī)載冷凝器換熱性能，為機(jī)載冷凝器的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 機(jī)載冷凝器換熱機(jī)理

為了分析機(jī)載冷凝器的換熱機(jī)理，對(duì)換熱模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，做出基本假設(shè)[8-10]：① 在扁管內(nèi)流動(dòng)的制冷劑為一維流動(dòng)狀態(tài)；② 在兩相區(qū)任一截面上，均相流模型的氣、液兩相壓力相等。依據(jù)三大定律，得到以下方程：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

動(dòng)量守恒方程：

(3)

其中：ρ是制冷劑密度；u是制冷劑的流速；h是運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度；t是時(shí)間變量；x是空間維度；P是壓力；fx是摩擦因數(shù)；θ是分離角；Ai是內(nèi)部的流通面積；q是熱流量。

制冷劑側(cè)的換熱量QR：

(4)

空氣側(cè)的換熱量Qair：

Qair=αairAaηa(Tair-Two)

(5)

環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓后，以高壓高溫的氣體狀態(tài)進(jìn)入冷凝器，通過(guò)冷凝器的壁面和翅片，與外界的沖壓空氣進(jìn)行熱交換，在此過(guò)程中，制冷劑將熱量轉(zhuǎn)移給外部的沖壓空氣制冷劑的形態(tài)。制冷劑的形態(tài)，則從氣態(tài)變化到氣液兩相狀態(tài)，接著變化成液體，最后以液體的形態(tài)從冷凝器出口流出。

2 機(jī)載冷凝器數(shù)值仿真模型以及方法驗(yàn)證

2.1 機(jī)載冷凝器數(shù)值仿真模型

機(jī)載冷凝器為平行流冷凝器，建立仿真模型，如圖1所示。機(jī)載冷凝器為熱媒4流程，冷媒單流程的叉流空-液換熱器，其中熱媒的流道比例為12∶9∶6:5。機(jī)載冷凝器芯體尺寸為525 mm×405 mm×12 mm，其中扁管高為2 mm，制冷側(cè)水力直徑為1.2 mm，每層扁管的流通面積為9 mm2；翅片高度為12 mm，翅片厚度為0.1 mm，翅片間距為1.2 mm；百葉窗的開(kāi)窗角度為30°，百葉窗間距為1 mm，百葉窗長(zhǎng)度為 4 mm。換熱介質(zhì)為沖壓空氣與R134a制冷劑。

2.2 數(shù)值方法的驗(yàn)證

章節(jié)2.1節(jié)已經(jīng)提到機(jī)載冷凝器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，此機(jī)載冷凝器為某型號(hào)飛行器上的實(shí)際裝機(jī)產(chǎn)品，已經(jīng)進(jìn)行過(guò)地面穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

依據(jù)表1所示的試驗(yàn)工況，采用章節(jié)2.1所提到的數(shù)值方法進(jìn)行建模仿真。圖2為冷凝器換熱量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比圖。

圖2 冷凝器換熱量的試驗(yàn)與仿真結(jié)果直方圖

由圖2可知，空氣風(fēng)速為1 m/s時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為1 050 W，仿真結(jié)果為1 000 W，兩者相差相對(duì)誤差為4.76%；空氣風(fēng)速為3 m/s時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為2 856 W，仿真結(jié)果為2 700 W，兩者相差5.46%。實(shí)際工程應(yīng)用中，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)間的相對(duì)誤差不大于10%時(shí)，則認(rèn)為計(jì)算模型可靠。因此，本研究所建立的的機(jī)載冷凝器仿真模型是可靠的。

3 計(jì)算分析

3.1 影響因素

機(jī)載環(huán)控系統(tǒng)中，冷凝器擔(dān)當(dāng)著將熱量傳遞到外界沖壓空氣的作用，冷凝溫度以及冷凝壓力的高低決定著環(huán)控系統(tǒng)的換熱量，而在實(shí)際工程應(yīng)用中影響冷凝溫度以及冷凝壓力的因素主要有空氣側(cè)溫度、空氣側(cè)壓力、空氣側(cè)相對(duì)濕度、空氣側(cè)質(zhì)量流量、制冷劑側(cè)溫度、制冷劑側(cè)壓力、制冷劑側(cè)質(zhì)量流量等。

在機(jī)載冷凝器尺寸結(jié)構(gòu)一定的情況下，分別考慮空氣側(cè)和制冷側(cè)的相關(guān)參數(shù)對(duì)換熱器性能的影響，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)從中選擇具有代表性的因素進(jìn)行分析，得到的影響因素組合如表2所示，結(jié)合仿真的手段對(duì)影響因素進(jìn)行分析。

表2 仿真工況影響因素

依據(jù)表2，分析影響機(jī)載冷凝器換熱性能的參數(shù)，4種工況的仿真因變量分別為：空氣側(cè)溫度TA與制冷劑側(cè)溫度TR、空氣側(cè)溫度TA與制冷劑側(cè)質(zhì)量流量dmR、空氣側(cè)質(zhì)量流量dmA與制冷劑側(cè)溫度TR、空氣側(cè)質(zhì)量流量dmA與制冷劑側(cè)質(zhì)量流量dmR。

3.2 仿真邊界條件

依據(jù)3.1節(jié)內(nèi)得到的4種工況，進(jìn)行仿真，仿真邊界條件如表3所示，其中符號(hào)代表仿真因變量。

表3 仿真邊界條件

3.3 結(jié)果分析

采用空氣側(cè)溫度TA與制冷劑溫度TR為因變量，仿真結(jié)果如下：

圖3為表2中工況1的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

由圖3(a)可知，當(dāng)TA固定為40 ℃，以5 ℃為增加量，將TR從55 ℃增加到75 ℃，機(jī)載冷凝器的換熱量分別為2 624 W、2 707 W、2 790 W、2 872 W、2 842 W。隨著TR的增高，換熱量增加，當(dāng)增加到一個(gè)臨近溫度時(shí)，換熱量呈下降趨勢(shì)。這是由于，TR的提高，使得冷凝器轉(zhuǎn)移到外界沖壓空氣的熱量得到相應(yīng)的提高，但是冷凝器的換熱量是有上限，當(dāng)換熱量超過(guò)上限，機(jī)載冷凝器的換熱量呈下降趨勢(shì)。

圖3 工況1仿真曲線

由圖3(b)可知，當(dāng)TR固定為60 ℃，以5 ℃為增加量，將TA從20 ℃增加到40 ℃，換熱量分別為5 002 W、4 804 W、4 559 W、3 845 W、2 707 W，機(jī)載冷凝器的換熱量依次降低。這是由于，TA的提高，使得冷凝器的換熱性能降低，導(dǎo)致冷凝器的換熱量降低。

比較圖3(a)和圖3(b)可知，以5 ℃為增加量，當(dāng)TR固定時(shí)，冷凝器換熱量的變化率較大。相比于TR，TA這一參數(shù)影響較大，且溫度越低，冷凝器換熱效果越好。

采用空氣側(cè)溫度TA與制冷劑側(cè)質(zhì)量流量dmR為因變量，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4為工況2的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

由圖4(a)可知，當(dāng)TA固定為40 ℃，以0.003 kg/s為增加量，將dmR從0.018 kg/s增加到0.03 kg/s，機(jī)載冷凝器的換熱量分別為2 203 W、2 451 W、2 709 W、2 972 W、3 250 W。隨著dmR的增高，換熱量增加。這是由于，dmR的提高，使得單位時(shí)間內(nèi)冷凝器轉(zhuǎn)移到外界沖壓空氣的熱量得到相應(yīng)的提高，由于仿真條件的限值，未觀察到換熱量臨界點(diǎn)。

由圖4(b)可知，當(dāng)dmR固定為0.024 kg/s，以5 ℃為增加量，將TA從20 ℃增加到40 ℃，換熱量分別為4 992 W、4 800 W、4 559 W、 3 845 W、2 707 W，機(jī)載冷凝器的換熱量依次降低。

比較圖4(a)和圖4(b)可知，相比于dmR，TA這一參數(shù)影響較大，且溫度越低，冷凝器的換熱效果越好。

圖4 工況2仿真曲線

采用空氣側(cè)質(zhì)量流量dmA與制冷劑側(cè)溫度TR為因變量，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5為工況3的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

由圖5(a)可知，當(dāng)TR固定為60 ℃，隨著dmA的增加，機(jī)載冷凝器的換熱量變化量不明顯。這是由于，TR固定為60 ℃時(shí)，沖壓空氣與機(jī)載冷凝器的換熱量已經(jīng)達(dá)到臨界值，因此換熱量趨于穩(wěn)定。

由圖5(b)可知，當(dāng)dmA為0.55 kg/s時(shí)，以5 ℃為增加量，將TR從55 ℃增加到75 ℃，換熱量分別為2 628 W、2 712 W、2 794 W、2 876 W、2 863 W，隨著TR的增加，機(jī)載冷凝器的換熱量依次增加，變化幅度較小。

比較圖5(a)和圖5(b)可知，TR固定不變的情況下，dmA對(duì)機(jī)載冷凝器的換熱效果影響可以忽略不計(jì)；dmA固定不變的情況下，TR對(duì)機(jī)載冷凝器的換熱效果影響較小。

圖5 工況3仿真曲線

采用空氣側(cè)質(zhì)量流量dmA與制冷劑側(cè)質(zhì)量流量dmR為因變量，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 工況4仿真曲線

圖6為工況4的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

由圖6(a)可知，當(dāng)dmA固定為0.55 kg/s，以0.003 kg/s為增加量，將dmR從0.018 kg/s增加到0.03 kg/s，機(jī)載冷凝器的換熱量分別為2 201 W、2 450 W、2 709 W、2 976 W、3 250 W。隨著dmR的增加，機(jī)載冷凝器的換熱量依次增加，且變化幅度較小。

由圖6(b)可知，dmR達(dá)到0.024 kg/s時(shí)，隨著dmA的增加，機(jī)載冷凝器的換熱量增加量趨于穩(wěn)定值。

由圖6可知，當(dāng)dmA固定不變時(shí)，dmR對(duì)機(jī)載冷凝器的換熱效果影響較?。划?dāng)dmR固定不變時(shí)，dmA對(duì)機(jī)載冷凝器的換熱效果影響可以忽略不計(jì)。

4 極端條件下的換熱性能

考慮某型號(hào)飛行器的機(jī)載冷凝器在極端條件下的換熱性能，由于極熱天條件下，某型號(hào)飛行器處于地面啟動(dòng)階段時(shí)，外界空氣溫度最高可達(dá)到40 ℃，因此，認(rèn)為地面啟動(dòng)狀態(tài)為極端工況。表4為極熱天地面啟動(dòng)條件這一極端仿真工況。

表4 仿真工況影響因素

依據(jù)表4的仿真工況，采用章節(jié)2.1節(jié)所提到的數(shù)值仿真模型。空氣風(fēng)速為3 m/s時(shí)，仿真結(jié)果為10 kW，空氣風(fēng)速為5 m/s時(shí)，仿真結(jié)果為12 kW。

目前，實(shí)際工程應(yīng)用中的機(jī)載熱負(fù)荷一般處于5～8 kW之間，而本研究所設(shè)計(jì)的機(jī)載冷凝器，在極端工況下的制冷量最高可達(dá)到12 kW，提高了機(jī)載冷凝器的熱承載能力，為機(jī)載冷凝器的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

5 結(jié)論

1) 相比于其余3種因素，空氣側(cè)入口溫度對(duì)機(jī)載冷凝器的換熱性能影響最大。

2) 某些工況下，空氣側(cè)入口質(zhì)量流量對(duì)機(jī)載冷凝器換熱性能的影響忽略不計(jì)。

3) 極端工況下的制冷量最高可達(dá)到12 kW，提高了現(xiàn)有機(jī)載冷凝器的熱承載能力。