飞机液冷系统的流量测量及计算

崔永龙+施红+陈常栋

摘要： 飞机液体系统由于其高换热系数、较高的冷却效率及稳定的工作能力将成为现代高性能飞机的电子设备散热的必然。国内飞机液冷系统的研究刚刚起步，技术尚不完善，为了研究液冷系统的性能进而需测量系统管路的流量，而目前尽管地面系统涉及的液体流量测量方法较多，但由于设备体积较大难以在飞机上实施。另外，由于军事保密等原因，国外的相关报道甚少。鉴于上述原因，提供一种结构简单、安装方便的飞机液冷系统流量的测量方法迫在眉睫。据此，本文提出了一种可用于飞机液冷系统测量的测量方法，其考虑了飞行加速度对流量测量的影响。同时，以弯管为例，通过数值模拟的方法，获得了弯管压降的无量纲关系式。论文的研究成果将为飞机液冷系统流量的测量和计算提供技术参考。

Abstract： Aircraft liquid system， due to its high heat transfer coefficient， high cooling efficiency and stable working ability， will become the necessity for cooling of electronic equipment of modern high-performance aircraft. Domestic aircraft cooling system research has just started and the technology is not perfect， so in order to study the performance of the liquid-cooled system， it is necessary to measure the flow of the system piping. At present， although the methods of measuring the liquid flow in the ground system are more， they are difficult to implement on the plane due to large equipment volume. In addition， due to military secrecy and other reasons， there are few foreign reports. In view of the above reasons， it is imminent to provide a simple and easy flow measurement method of aircraft air cooling system. Accordingly， this paper presents a measurement method that can be used in the measurement of aircraft cooling system， which takes into account the impact of flight acceleration on flow measurement. At the same time， taking the elbow as an example， through the numerical simulation method， the dimensionless relation of the pressure drop of the elbow is obtained. The research results of this paper will provide technical reference for the measurement and calculation of the flow rate of aircraft cooling system.

关键词： 加速度；流量；弯管；无量纲

Key words： acceleration；flow；elbow；dimensionless

中图分类号：V241 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）15-0085-04

1 背景及现状分析

近年来，航空装备发生了巨大的变化，机载电子设备的应用越来越广泛，电子舱热载荷急剧增加，它所产生的热负荷已从原来的几千瓦增大到几十千瓦。这些电子设备工作时，一方面除了发射出少量功率以外，70%～90%的输入功率都转变成了热量；另一方面，随着电子器件向集成化、小型化发展的趋势，电子设备功率增大、封装密度增大、体积缩小，导致电子设备的热流密度急剧上升。如果这些热量不能及时得到冷却，将直接影响电子设备的正常工作，甚至引起电子设备的破坏。因此，解决大功率、高热密度下机载电子设备的冷却是特种飞机环境控制中的一个十分关键的问题，也是特种飞机完成使命的一个重要保证。然而，传统的空气冷却面临多种问题：首先是发动机不能提供过大的引气量；其次，空气冷却管路在電子设备内部难以布置；另外，空气作为冷却介质不能满足高热流密度换热的要求。而液体由于其换热系数和比热远比空气大，液体冷却系统具有较高的冷却效率及稳定的工作能力。因此，液体冷却系统用于现代高性能飞机的电子设备散热成为必然。

液冷系统的主要特性参数除温度和压力以外，制冷液的流量也是一个重要的设计参数，它的获得主要通过实验测量。传统的液体流量测量方法有很多，但在飞机上实施有一定的难度，存在泄漏、受飞行工况制约等诸多不利因素，因此必须寻找一种安全可行的测量和标定方法。

鉴于上述原因，本文提出了一种结构简单、安装方便的飞机液冷系统流量的测量方法，并通过修正系数法对液冷剂的流量进行修正标定。同时，基于CFD技术，对弯管的压降进行数值模拟，获得了弯管数值计算的无量纲关联式。上述研究成果为飞机液冷系统流量的测量和计算提供技术参考。