地面检测液冷系统高空换热性能的一种测试方法

史素清 梁双 路高社

摘 要：本文通过分析液冷系统换热性能机理，并结合液冷系统在多型号飞机上的测试试验经验，提出了一种利用地面试验检测液冷系统高空换热性能的测试方法，该方法简单实用，可为类似系统测试提供借鉴帮助。

关键词：液冷系统；换热性能；测试；方法

中图分类号：V241 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0057-02

1 概述

随着现代科学技术进步和军事斗争需求，一类配置了大功率电子设备的特种飞机应运而生。由于电子设备向集成化方向发展，其热流密度剧增，普通空气制冷方式已无法满足对其冷却要求。液冷系统具备大比热、热惯性大等特点，对热流密度大的大功率电子设备起到了很好的缓冲作用。因此，液冷系统在大功率电子设备的热环境控制中得到广泛应用。

如何在研制阶段准确了解液冷系统在其使用包线内的换热性能，这就必须借助有效的模拟试验数据进行解析。

本文通过对液冷系统换热性能机理分析，提出了一种将空中状态参数换算到地面进行控制的测试方法。该方法测试准确，操作简单，能很好了解液冷系统在不同高度下的换热性能。

2 液冷系统组成与工作原理

液冷系统主要由制冷子系统、冷却液循环子系统、测量与控制子系统等组成。其工作原理是采用冷却液以间接的方式对电子设备进行冷却，即电子设备产生的热量以导热与对流形式传递给循环中的冷却液，当冷却液流经空液换热器时，由吹过气-液换热器的冲压空气将冷却液吸收的热量带到外界大气，完成对电子设备的冷却。系统工作原理见图1。

3 测试方法

3.1 测试方法的理论依据

表征液冷系统换热性能的主要指标为温降，温降可通过换热效率η来表示，而液冷系统主要换热部件为换热器，由传热学可知，影响换热效率主要因素为传热单位数NTU、水当量比W1/W2和流动方式。在冷风道管路几何参数与换热器结构、冷却介质、冷边冲压空气温度、以及换热器热边流量确定的情况下，传热单位数NTU与水当量比W1/W2只是换热器冷边质量流量G冷的函数，即η=f（G冷），因此，地面测试液冷系统高空换热性能时，在保证冷风道管路与换热器结构几何尺寸，冷却介质，冷边空气温度，以及换热器热边流量与空中状态一致的情况下，只要控制地面测试的气-液换热器冷边空气温度T冷与质量流量G地，使其等于对应空中状态能流过换热器冷边最大质量流量Gmax和对应高度下的温度T空即可，即G地=Gmax，T地=T空。运用该温度下的最大流量，测试出的系统换热性能即可认为是该高度下对应系统的换热能力[1]。

3.2 换热器冷端最大流量的确定

换热器冷端所能流过的流量大小与其冷边流阻相关，冷边流阻由进气管与排气管流阻、换热器流阻与排气动压组成。在飞行高度为H时，其总流阻△PH冷边可通过下列关系式确定：[2]

（1.1）

式中：ρH为冷风道管内空气密度；

ν为冷风道管内空气流速；

∑（λH+ξH）为系统冷边沿程与局部阻力系数之和。

在高度H，进入冷风道管内速度ν，以及冷风道入口端面积A确定时，进入换热器冷边入口端冲压空气的质量流量为：

GH=ρHνA （1.2）

在（1.1）式两边分别乘以ρHA，并将GH=ρHνA代入得：

故在高度H，进入风道管内气流速度为ν时，通过换热器冷边端流量—流阻关系式为：

（1.3）

當换热器冷端流阻等于在该条件下冲压空气所能分配的总压降（最大允许压降）△PH冷边=△PH允许时，换热器冷边流入的冲压空气流量达到最大，其最大为：

（1.4）

3.3 测量控制参数的确定

如何通过地面测试参数获得换热器空中状态下其冷边最大空气流量，是试验测试的关键。由（1.3）式知，高度H时的流量为：，在地面时的流量为。根据空中状态转换到地面进行测试时，地面状态换热器冷边流过的空气质量流量应与空中状态相等的原理可得出：G地=G空，即：

= （1.5）

因用于测试换热器冷边端结构几何参数与流量在空中与地面完全相同，故（1.5）式中流阻系数∑（λH+ξH）=∑（λ地+ξ地），将（1.5）式两边流阻系数相消，可推出地面测试状态与空中状态之间的参数关系为：

△PH冷边ρH=△P地ρ地 （1.6）

在冲压空气以最大流量通过换热器冷边端时，满足：

△PH冷边=△PH允许 （1.7）

则（1.6）式可变为：

△PH允许ρH=△P地ρ地 （1.8）

因高度为H米，飞行速度V时，系统允许压降为：

△PH允许=Pin*-PH （1.9）

将Pin*=δPH（1+0.2MH2）3.5

PH=P0（1-H/44300）5.256

MH=V/（KRTH）0.5

代人（1.9）式得：

△PH允许=P0（1-H/44300）5.256{δ[1+0.2（V/（KRTH）0.5）2）]3.5-1}

（1.10）

式中：Pin*—换热器冷端进气口总压；

PH—高度H处大气压；

MH—高度H时的马赫数；

TH—高度H的大气温度；

P0—海平面标准大气压；

H—飞行高度；

δ—进气口总压恢复系数，一般取0.96～0.98；

ν—飞行速度；

R—为特定气体常数，R=287.03；

K—气体热容比，取K=1.4。

高度为H米，温度为TH时，冲压空气的密度为：

（1.11）

由（1.10）与（1.11）式可知，在飞行高度H，飞行速度V与大气温度TH确定的情况下，△PH允许与ρH均为定值，故△PH允许与ρH乘积也为定值，则（1.6）式△P地ρ地=△PH允许ρH=定值，不同高度下该定值可计算出。

综上推理可得，在利用地面测试系统高空换热性能时，通过调节换热器冷端供气温度与供气流量，使在温度为TH的供气流量满足系统冷边压降△P地与其供气密度ρ地的乘积等于对应高度下的△PH允许ρH乘积时，即可认为此时的供气流量就是对应高度H下的最大供气流量。应用在该温度TH下的最大供气流量，测试出的液冷系统性能，即为在该该高度H下的系统换热性能。

地面控制测量参数ρ地可通过测量供气温度与压力换算得出，△P地使用测试的总压管、静压管和压差传感器进行测出。故选择冷边压降△P地与供气密度ρ地的乘积作为系统地面测量控制参数，可很好解决利用地面测试参数了解系统高空换热性能问题。

3.4 地面试验测试程序

根据上述试验原理，地面试验测试程序如下：

将液冷系统与测试采集控制系统按要求安装完毕后，缓慢调节制冷子系统冷边供气温度与供气流量，在供气温度T供达到规定值TH，冷边△P地ρ地的乘积等于△PH允许ρH乘积的计算值后，锁定冷边供气流量，再调节换热器热边系统流量与加热功率，使系统热边流量与加热功率达到所要求值。当所有参数按要求达到规定值并稳定后，记录下换热器热边进出口冷却液温度与系统加热功率，将记录下的换热器热边出口冷却液温度与在该加热状态下要求的换热器出口温度值进行比较，即可判断出液冷系统在该高度下换热能力是否满足其规定要求。

4 结语

通过本文提供的地面测试方法，降低了试验测试成本，减小了测试难度，经在多型号飞机上使用验证证明，该测试试验方法准确有效，简单实用，具有一定的参考与经济价值，可为后续类似系统测试提供借鉴帮助。

参考文献

[1]华绍曾，杨学宁.实用流体阻力手册[M].北京：国防工业出版社，1985.

[2]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.