一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，包括步骤如下：(1)对燃油箱热模型按照功能模块进行划分和设计；(2)将单个燃油箱划分为功能不同的单元，设置各单元之间的接口；(3)通过面向对象物理系统软件编写各单元内置模块，将各单元和接口封装；(4)将各单元拼接成隔舱对象，隔舱对象相互拼接形成目标油箱对象，根据输入对象进行仿真计算；自动完成传质传热计算，一键提取时间常数和平衡温差。本发明专利技术通过不同的隔舱的拼接方式，构造出任意复杂拓扑结构的油箱，建模过程灵活，易于修改；同时考虑了油箱内部及惰化系统传质传热，可靠性、精确度高，为适航过程中蒙特卡罗分析提供关键参数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法
本专利技术涉及油箱热模型的构建方法，尤其涉及一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法。
技术介绍
随着飞机的多种性能不断提高，机电一体化技术不断提升，机载电子设备的数量和功率不断增加，飞机上承载的热负荷不断增加，相比于以往传统飞机的环控系统中，其单一的空气循环制冷系统已经难以满足日益增长的冷却需求，飞机燃油成为目前民用飞机热沉介质的最佳选择，而燃油的消耗和温度变化也需要进行相应的优化设计模拟和更加精准的控制。飞机燃油箱热模型的建立和研究是对燃油箱以及燃油系统进行计算分析的基础。燃油和油气温度的控制在飞机燃油箱的安全系数、防火抑爆等方面至关重要。最新FAR25部981条款明确规定，若燃油箱不可以等效为传统未加热的铝机翼油箱，则其燃油箱可燃性必须采用蒙特卡罗分析的方法来证明可燃性符合要求，而燃油箱的热参数是蒙特卡罗分析的关键输入参数。因此，研究油箱内燃油温度变化规律是国内适航符合型验证中至关重要的环节，而目前国内在该领域的研究尚处于起步阶段。获取燃油温度变化规律的方法有飞行实测法和理论分析法两类，虽然飞行实测法可以获得相对精确的燃油温度变化曲线，但由于飞行实测费用高、周期长，且不同类型飞机所获取的实测数据各不相同。因此，该方法并不具备普适性，在适航认证中，常用来验证理论分析法的可信度。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种具备普适性、高可靠性热模型的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法。技术方案：本专利技术的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，包括以下步骤：(1)对燃油箱热模型按照功能模块进行划分和设计；(2)将单个燃油箱划分为功能不同的单元，设置各单元之间的接口；(3)通过面向对象物理系统软件编写各单元内置模块，将各单元和接口封装；(4)将各单元拼接成隔舱对象，隔舱对象相互拼接形成目标油箱对象，根据输入对象进行仿真计算；(6)自动完成传质传热计算，一键提取时间常数和平衡温差。进一步，所述步骤(1)中，所述功能模块包括燃油箱内热源和燃油箱外热源；燃油箱内热源包括燃油箱内液压系统管路散热、机电系统的热载荷、滑油系统的散热和发动机附件抽油泵散热；燃油箱外热源来自于太阳辐射、地面辐射和蒙皮表面附面层的气动对流加热；所述燃油箱由若干个长方体的隔舱组成，每件隔舱由壁面、内部燃油单元和气体单元构成。进一步，所述步骤(2)中，所述单元是最小的封装对象，包括各个壁面单元、内部燃油单元、气体单元、气动加热单元、对流换热单元、太阳辐射单元、地面辐射单元、内热源单元、燃油消耗控制单元、燃油流动控制单元、惰化单元、压力控制单元和平衡温差时间常数提取单元；所述单元和单元之间的接口，通过势变量耦合在一起，通过流变量传递信息，不同单元连接处势变量相同，而流变量和为零。进一步，所述燃油单元设置燃油入口单元和燃油出口单元；燃油入口单元分别与燃油单元和燃油流动控制单元相连，燃油出口单元分别与燃油单元和燃油消耗控制单元相连，模拟燃油在飞行包线下的消耗和油箱隔舱之间的燃油流动。进一步，所述气体单元设置气体入口单元和气体出口单元；气体入口单元分别与气体单元和惰化单元相连，气体出口单元分别与气体单元和惰化单元相连；气体单元还与压力控制单元相连。进一步，所述平衡温差时间常数提取单元选用非稳态模型求解燃油平均温度，得到平衡温差和热时间常数的指数公式，通过切割合适时间段，根据一维模型计算结果，推算出平衡温差和热时间常数。进一步，对单个燃油箱进行单元划分，把油箱分为上、下、左、右、前、后六个壁面单元，油箱还包括燃油单元和气体单元；所述上、下、左、右、前、后六个壁面单元，燃油单元和气体单元的计算公式如下：上壁面单元内置公式：下壁面单元内置公式：其中，Tu、Td分别为燃油箱上、下壁面温度，单位为K；ρu、ρd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cu、cd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vu、Vd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮体积，单位为m3；Qau、Qad分别为外界空气与上、下壁面对流换热热量；Qgu为油箱内油气与上壁面对流换热热量，Qld为油箱内燃油与下壁面对流换热热量，Qru为太阳对油箱上壁面辐射换热热量，单位为W；前壁面单元内置公式：后壁面单元内置公式：其中，Tf、Tb分别为燃油箱前、后壁面温度，单位为K；ρf、ρb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cf、cb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vf、Vb分别为燃油箱前、后壁面蒙皮体积，单位为m3；Qaf、Qab分别为外界空气与燃油箱前、后壁面之间的换热热量；Qgf、Qgb分别为燃油箱内部气体与燃油箱前、后壁面之间的换热热量；Qfuelf、Qfuelb为燃油箱内部燃油与燃油箱前、后壁面之间的换热热量，单位为W；左壁面单元内置公式：右壁面单元内置公式：其中，Tl、Tr分别为燃油箱左、右壁面温度，单位为K；ρl、ρr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cl、cr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vl、Vr分别为燃油箱左、右壁面蒙皮体积，单位为m3；Qfuell、Qfuelr分别为燃油与左、右壁面之间的换热热量；Qgr、Qgl分别为气体与左、右壁面之间的换热热量；Q'fuell、Q'gl为左壁面与外侧油箱内燃油和气体之间的换热热量；Q'fuelr、Q'gr为右壁面与外侧油箱内燃油、气体之间的换热热量，单位为W；燃油单元内置公式：其中，Tfuel为燃油箱内部燃油温度，单位为K；ρfuel为燃油箱内燃油的密度，单位为kg/m3；cfuel为燃油箱内燃油的比热容，单位为J/(kg·K)；Vfuel燃油箱内燃油体积，单位为m3；Qfueld、Qfuelf、Qfuelb分别为燃油与下、前、后壁面之间的对流换热热量；Qfuell、Qfuelr分别为燃油与左、右壁面之间的换热热量，Qgfuel为油箱内燃油与油气之间的对流传质换热热量，单位为W；Qifuel、Qofuel分别为燃油入口、出口流动带来或带走的热量；Q0为油箱内热源，单位为W；气体单元内置公式：其中，Tg为燃油箱内部气体的温度，单位为K；ρg为燃油箱内气体的密度，单位为kg/m3；cg为燃油箱内气体的比热容，单位为J/(kg·K)；Vg为燃油箱内气体的体积，单位为m3；Qgu、Qgf、Qgb分别为气体和上、前、后壁面之间的对流换热热量；Qgr、Qgl分别为气体与左、右壁面之间的换热热量；Qgfuel为油箱内燃油与油气之间的对流传质换热热量，单位为W；Qingas、Qoutgas分别为气体入口、出口流动带来或带走的热量，单位为W。进一步，所述步骤(3)中，所述编写各单元内置模块的原则为：(31)抽象定义顶层父类对象，父类对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)对燃油箱热模型按照功能模块进行划分和设计；/n(2)将单个燃油箱划分为功能不同的单元，设置各单元之间的接口；/n(3)通过面向对象物理系统软件编写各单元内置模块，将各单元和接口封装；/n(4)将各单元拼接成隔舱对象，隔舱对象相互拼接形成目标油箱对象，根据输入对象进行仿真计算；/n(5)自动完成传质传热计算，一键提取时间常数和平衡温差。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对燃油箱热模型按照功能模块进行划分和设计；
(2)将单个燃油箱划分为功能不同的单元，设置各单元之间的接口；
(3)通过面向对象物理系统软件编写各单元内置模块，将各单元和接口封装；
(4)将各单元拼接成隔舱对象，隔舱对象相互拼接形成目标油箱对象，根据输入对象进行仿真计算；
(5)自动完成传质传热计算，一键提取时间常数和平衡温差。


2.根据权利要求1所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述功能模块包括燃油箱内热源和燃油箱外热源；燃油箱内热源包括燃油箱内液压系统管路散热、机电系统的热载荷、滑油系统的散热和发动机附件抽油泵散热；燃油箱外热源来自于太阳辐射、地面辐射和蒙皮表面附面层的气动对流加热；
所述燃油箱由若干个长方体的隔舱组成，每件隔舱由壁面、燃油单元和气体单元构成。


3.根据权利要求1所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述单元是最小的封装对象，包括各个壁面单元、燃油单元、气体单元、气动加热单元、对流换热单元、太阳辐射单元、地面辐射单元、内热源单元、燃油消耗控制单元、燃油流动控制单元、惰化单元、压力控制单元和平衡温差时间常数提取单元；
所述单元和单元之间的接口，通过势变量耦合在一起，通过流变量传递信息，不同单元连接处势变量相同，而流变量和为零。


4.根据权利要求3所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述燃油单元设置燃油入口单元和燃油出口单元；燃油入口单元分别与燃油单元和燃油流动控制单元相连，燃油出口单元分别与燃油单元和燃油消耗控制单元相连，模拟燃油在飞行包线下的消耗和油箱隔舱之间的燃油流动。


5.根据权利要求3所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述气体单元设置气体入口单元和气体出口单元；气体入口单元分别与气体单元和惰化单元相连，气体出口单元分别与气体单元和惰化单元相连；气体单元还与压力控制单元相连。


6.根据权利要求3所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，所述平衡温差时间常数提取单元选用非稳态模型求解燃油平均温度，得到平衡温差和热时间常数的指数公式，通过切割合适时间段，根据一维模型计算结果，推算出平衡温差和热时间常数。


7.根据权利要求3所述的基于面向对象的复杂拓扑结构油箱热模型的构建方法，其特征在于，对单个燃油箱进行单元划分，把油箱分为上、下、左、右、前、后六个壁面单元，油箱还包括燃油单元和气体单元；所述上、下、左、右、前、后六个壁面单元，燃油单元和气体单元的计算公式如下：
上壁面单元内置公式：



下壁面单元内置公式：



其中，Tu、Td分别为燃油箱上、下壁面温度，单位为K；ρu、ρd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮密度，单位为kg/m3；cu、cd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮比热容，单位为J/(kg·K)；Vu、Vd分别为燃油箱上、下壁面蒙皮体积，单位为m3；Qau、Qad分别为外界空气与上、下壁面对流换热热量，Qgu为油箱内油气与上壁面对流换热热量，Qld为油箱内燃油与下壁面对流换热热量，Qru为太阳对油箱上壁面辐射换热热量，单位为W；
前壁面单元内置公式：



后壁面单元内置公式：

...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冠男，王立群，冯诗愚，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32