一种飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法技术

一种飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法，涉及飞机平台和推进系统的燃油热管理领域。步骤包括：通过CFD仿真计算得到样本点的输出值，采用方差分析法进行灵敏度分析，最后根据灵敏度法分析的结果判断输入参数对输出参数的敏感程度；采用拉丁超立方试验设计在输入参数范围内取样，基于CFD仿真计算结果建立样本点数据库，然后建立代理模型并验证代理模型的精度；最后采用燃油温度动态预测控制方程和数值计算方法来实时预测飞机在典型飞行任务剖面下油箱内燃油的温度。本发明专利技术获得的燃油温度变化结果与工程经验符合良好，并节省了仿真过程的计算量，极大的提高了效率。极大的提高了效率。极大的提高了效率。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法


[0001]本专利技术涉及飞机平台和推进系统的燃油热管理领域中战斗机油箱内部流动传热研究和燃油温度计算，特别是涉及一种飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法。

技术介绍

[0002]随着现代军事领域对飞机作战性能要求的不断提高，迫切要求战斗机性能向着高速、高隐身、高智能的方向发展。飞机作战性能的提升必然导致飞机热载荷大幅度攀升，例如：投入更多的大功率电子设备以支持高级系统任务将产生更多热量，定向能武器和雷达的使用将给飞机带来极大的瞬时热载荷。然而，飞机的可用热沉能力却有所下降，飞机大规模的采用复合材料导致散热能力降低，新型发动机技术有效降低燃油消耗量使得可作为热沉的燃油量减少。因此，飞机热管理系统对于系统热沉的合理利用、分配和调控具有重要意义。此外，在飞行任务包线内，飞机热载荷和外部热环境可能发生迅速剧烈的变化，需要热管理系统对飞行工况的动态变化具有更好的适应性。因此，飞机作战性能的提高对飞机热管理系统提出了更高的挑战。
[0003]燃油是当前飞机热管理系统中使用最普遍和最有效的热沉之一。然而，燃油能够产生的由于换热带来的温升是有一定限度的，使用其作为散热热沉会受到热源(如电子设备、定向能武器)温度、发动机耗油率、发动机入口温度、燃油自身性质稳定性等因素的限制。发动机耗油量过小时，温度升高的燃油不能被及时消耗，可能导致燃油温度过高；到达发动机入口的燃油温度过低，则不利于燃油的燃烧；而当燃油温度过高，不仅燃油的热稳定性将破坏，而且温度超出燃油的极限温度时，可能产生胶状物质，甚至分解或者焦化，这可能导致燃油滤、燃油计量设备、燃油喷嘴或换热器发生堵塞，严重影响飞行安全。此外，为响应热载荷的剧烈变化，燃油温度会发生大幅度波动。因此，快速准确的获知燃油温度的动态变化并对其进行监视和控制是十分必要的。
[0004]由于飞行任务剖面的多样性、热管理系统和油箱内部流动的复杂性，采用实验方法确定油箱内燃油温度十分困难并且成本高昂。随着计算机技术的发展，利用数值模拟技术获得油箱内流动和传热分布特征成为重要的研究手段。目前，学者们和工程技术人员主要采用CFD方法求解Navier
‑
Stokes方程得到燃油的温度分布。然而，飞机油箱的形式和位置多种多样，并且其设计因飞机型号不同差异很大而不具有规律性；即使在规定的任务包线下，仍需计算大量工况才能满足设计要求，并且其计算结果不具有可移植性。CFD的网格生成及计算过程消耗大量的时间和计算资源，并且其流程是重复的，导致仿真效率大大降低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，构建一种基于CFD方法、代理模型和能量守恒原理的飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法，包括如下步骤：
[0008]步骤S1：灵敏度分析，建立飞机油箱内燃油流动换热模型，确定模型的输入和输出参数，在参数范围内采用正交试验设计生成样本点，然后通过CFD仿真计算得到样本点的输出值，采用方差分析法进行灵敏度分析，最后根据灵敏度法分析的结果判断输入参数对输出参数的敏感程度；
[0009]步骤S2：建立代理模型，根据灵敏度分析的结果，去除对输出参数影响程度较低的输入参数后，采用拉丁超立方试验设计在输入参数范围内取样，对取样的样本点进行CFD仿真计算，基于CFD仿真计算结果建立样本点数据库，然后建立代理模型，最后采用加点验证或交叉验证方法验证代理模型的精度；
[0010]步骤S3：燃油温度预测，通过飞行任务剖面获得代理模型的输入参数，通过代理模型预测得到油箱壁面的平均对流换热系数，采用燃油温度动态预测控制方程和数值计算方法来实时预测飞机在典型飞行任务剖面下油箱内燃油的温度。
[0011]优选地，在所述步骤S1中，所述CFD仿真计算通过燃油流动换热的CFD模拟，油箱内燃油流动换热过程由质量守恒、动量守恒及能量守恒定律共同决定，其控制方程为Navier
‑
Stokes方程，包括质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程：
[0012][0013][0014][0015]式中ρ为流体密度，u为速度矢量，p为压力，E为内能，k
a
为导热系数，k
t
为湍动导热率，与为切应力张量，t为时间，g为重力加速度，T为温度：
[0016][0017][0018]式中，μ为动力粘度系数，I为单位张量,μ
eff
为等效粘度，是动力粘度μ及湍动粘度μ
t
之和。
[0019]其中，μ
t
由湍流模型获得
[0020][0021]其中，C
μ
为模型常数，k为湍流动能，ε为动能耗散率；
[0022]使用有限体积法求解上述控制方程，采用COUPLED算法进行压力
‑
速度耦合，湍流模型选用RNG k
‑
ε模型。
[0023]优选地，在所述步骤S1中，采用F值出现概率的大小推断两个总体方差是否相等或比较伴随概率p的方法判断因素的显著性水平：
[0024]若即伴随概率p≥0.05，表明因素对考察指标的影响不显著；
[0025]若即0.01≤p<0.05，表明因素对考察指标的影响显著；
[0026]若即p<0.01，表明因素对考察指标的影响极显著。
[0027]优选地，在所述步骤S2中，所述采用响应面方法建立代理模型，是使用最小二乘回归矩阵的数学方法将一组抽样数据点拟合为多项式函数，形式是包含二次项和所有双因子相互作用的二阶多项式函数，其表示为：
[0028][0029]其中，是代理方法预测的近似响应函数，n是样本点数据库中样本的数量，β0,β
i
,β
ii
和β
ij
是常数，由最小二乘回归矩阵确定，x
i
、x
j
表示输入变量。
[0030]优选地，关于取样的数量，有效的试验次数应该是输入维度的10倍左右。
[0031]优选地，在所述步骤S2中，衡量代理模型精度的指标为均方根误差RMSE和决定系数R2，
[0032][0033][0034]其中，m是验证点的数量，是输出参数的预测值，y
i
是输出参数的真实值，是验证点输出参数真实值的平均值，RMSE的值越小表示模型精度越高；R2的范围为0～1，R2的值越接近1，表示模型的精度越高。
[0035]优选地，在所述步骤S3中，油箱内燃油的流动和传热过程视为有工质进出的开口系统，根据热力学第一定律，开口系统能量方程简化为：
[0036]dE
cv
＝H2δm2‑
H1δm1+δQ
[0037]其中，δQ为控制体从热源吸收的热量，dE
cv...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：灵敏度分析，建立飞机油箱内燃油流动换热模型，确定模型的输入和输出参数，在参数范围内采用正交试验设计生成样本点，然后通过CFD仿真计算得到样本点的输出值，采用方差分析法进行灵敏度分析，最后根据灵敏度法分析的结果判断输入参数对输出参数的敏感程度；步骤S2：建立代理模型，根据灵敏度分析的结果，去除对输出参数影响程度较低的输入参数后，采用拉丁超立方试验设计在输入参数范围内取样，对取样的样本点进行CFD仿真计算，基于CFD仿真计算结果建立样本点数据库，然后建立代理模型，最后采用加点验证或交叉验证方法验证代理模型的精度；步骤S3：燃油温度预测，通过飞行任务剖面获得代理模型的输入参数，通过代理模型预测得到油箱壁面的平均对流换热系数，采用燃油温度动态预测控制方程和数值计算方法来实时预测飞机在典型飞行任务剖面下油箱内燃油的温度。2.根据权利要求1所述的飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述CFD仿真计算通过燃油流动换热的CFD模拟，油箱内燃油流动换热过程由质量守恒、动量守恒及能量守恒定律共同决定，其控制方程为Navier
‑
Stokes方程，包括质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程：程，包括质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程：程，包括质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程：式中ρ为流体密度，u为速度矢量，p为压力，E为内能，k
a
为导热系数，k
t
为湍动导热率，与为切应力张量，t为时间，g为重力加速度，T为温度：为切应力张量，t为时间，g为重力加速度，T为温度：式中，μ为动力粘度系数，I为单位张量,μ
eff
为等效粘度，是动力粘度μ及湍动粘度μ
t
之和；其中，μ
t
由湍流模型获得其中，C
μ
为模型常数，k为湍流动能，ε为动能耗散率；使用有限体积法求解上述控制方程，采用COUPLED算法进行压力
‑
速度耦合，湍流模型选用RNG k
‑
ε模型。3.根据权利要求1所述的飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用F值出现概率的大小推断两个总体方差是否相等或比较伴随概率p的方法判断因素的显著性水平：
若即伴随概率p≥0.05，表明因素对考察指标的影响不显著；若即0.01≤p<0.05，表明因素对考察指标的影响显著；若即p<0.01，表明因素对考察指标的影响极显著。4.根据权利要求1所述的飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述采用响应面方法建立代理模型，是使用最小二乘回归矩阵的数学方法将一组抽样数据点拟合为多项式函数，形式是包含二次项和所有双因子相互作用的二阶多项式函数，其表示为：其中，是代理方法预测的近似响应函数，n是样本点数据库中样本的数量，β0,β
i
,β
ii
和β
ij
是常数，由最小二乘回归矩阵确定，x
i
、x
j
表示输入变量。5.根据权利要求4所述的飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法，其特征在于，关于取样的数量，有效的试验次数应该是输入维度的10倍左右。6.根据权利要求1所述的飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，衡量代理模型精度的指标为均方根误差RMSE和决定系数R2，，其中，m是验证点的数量，是输出参数的预测值，y
i
是输出参数的真实值，是验证点输出参数真实值的平均值，RMSE的值越小表示模型精度越高；R2的范围为0～1，R2的值越接近1，表示模型的精度越高。7.根据权利要求1
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6任一项所述的飞行包线下飞机油箱内燃油温度的动态快速预测方法，其特征在于，在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭京辉，林贵平，刘勇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：