基于AMESim的直升机机载蒸发循环系统动态仿真

彭孝天，姜 寒，李超越，冯诗愚，刘卫华

（南京航空航天大学航空宇航学院飞行器环境控制与生命保障工业和信息化部重点实验室，南京210016）

随着我国低空空域的开放，民用直升机未来发展潜力巨大[1-2]。但由于直升机机载大功率电子设备散热及司乘人员舒适性需求逐渐增加，传统的通风加热难以满足需求。蒸发循环制冷系统因性能系数高，无须发动机引气等优点，被认为是未来直升机制冷系统的发展方向[3]。

在直升机空调系统设计过程中，采用试验的方法，其难度大且成本较高。在设计初期，仿真无疑是最好的选择。以往对于制冷系统的仿真往往建立在稳态的基础上[4-5]，但机载蒸发循环系统运行时，系统内参数不断变化，且系统各部件的热力参数相互耦合，因而建立在稳态工况下的设计无法反映系统的实际运行特性[6]。

针对飞机环境控制系统动态特性研究，J·E建立了制冷附件和系统的动态模型，并进行了动态仿真，验证了系统的设计合理性，分析了系统的稳定性和灵敏度[7]。在国内，李运祥等[8]在Matlab/Simulink系统仿真环境下建立了机载蒸发循环制冷系统的动态数学模型，考察了不同参数阶跃对系统性能的影响，发现压缩机转速、膨胀阀开度、制冷剂流量发生阶跃时，蒸发循环制冷系统各热力性能参数的动态响应规律不同。金敏[9]在EASY5软件平台上实现了歼击机蒸发制冷系统的动态仿真程序，并进行了动态分析得到了系统的动态性能。以往的研究能得到的信息有限且无法模拟出飞行状态下系统动态性能。

近年来，一维多学科领域复杂系统建模仿真平台LMS AMESim，因模型库丰富、计算精度高等优点，已经成功应用于航空航天、车辆、船舶、工程机械等多学科领域[10-14]。

本文基于AMESim，以国内某直升机制冷系统设计为例，搭建其热模型。仿真得到了不同外界环境温度下，某直升机制冷系统性能动态变化过程，为今后机载蒸发循环制冷系统的工程设计、校核及优化提供借鉴。

1 模型建立及验证

1.1 建立模型

LMS AMESim采用模块化建模，本蒸发循环制冷系统主要包括微通道蒸发器、微通道冷凝器、压缩机、膨胀阀、储液干燥器、油分离器、座舱等主要部件，系统模型如图1所示。

座舱模型参数依据直升机实际参数确定，座舱搭建为超元件模型，包括天花板、挡风玻璃、地板以及其他热传导因素（绝热材料，座椅，人员等），详细模型如图2所示。

图1 系统模型Fig.1 System model

图2 座舱热模型Fig.2 Cockpit thermal model

1.2 参数设置

本文所用直升机空调部件结构参数由于涉及商业机密，具体的结构参数等不便列出。系统主要参数设置如表1所示，压缩机、蒸发器风机、冷凝器风机启动时间设为2 s。

1.2 实验验证

为验证模型的正确性，搭建图3所示的试验系统。

表1 系统参数设置Tab.1 System parameter setting

图3 空调试验系统室内（左）、室外（右）部分Fig.3 Air conditioning test system outdoor（left）/indoor（right）

为尽可能接近座舱真实环境，实验舱模型按实际尺寸设计，且设有可调节的电加热膜及加湿器用于模拟座舱热湿负荷。实验系统参数与仿真模型相同，在不同压缩机转速下进行多组试验，通过测量冷凝器风量、进出口温度，以及压缩机电流，间接计算得到系统制冷量及COP（性能系数）。利用仿真模型重复试验，得到对比结果如图4、5所示。

可以看出，仿真结果与实验值的误差均在10%以内，说明模型仿真结果精度较高。

图4 制冷量验证结果Fig.4 Test results of refrigeration capacity

图5 COP验证结果Fig.5 Test results of COP

2 结果与分析

利用系统模型，在地面初始温度分别为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃时，计算得到地面与飞行2种状态下，舱内空气的温、湿度，以及系统制冷量及性能系数随时间的动态变化关系。

2.1 地面状态

1）座舱空气温度。座舱空气温度随时间的变化如图6所示，系统启动5min内，舱内空气温度迅速降低，并在20min后基本稳定，此时制冷系统带走的热量与外界传入座舱的热量达到平衡状态。当外界环境温度为30℃时，舱内空气温度最终稳定在25℃，满足舒适性要求[15]。

2）座舱空气相对湿度。图7为舱内空气相对湿度随时间的变化，可以看出在前3min内，空气相对湿度值迅速下降，并在5min后均稳定在60%左右。

3）制冷量。制冷量随时间的变化关系如图8所示。由图8可见，制冷系统启动初期，舱内空气温度较高，蒸发器换热温差大，故制冷量较大。随着时间的推移，舱内温度逐渐下降，最终达到平衡状态时，制冷量均在5.6 kW左右。

图6 座舱空气温度随时间的变化Fig.6 Cockpit air temperature variation with time

图7 座舱空气相对湿度随时间的变化Fig.7 Cockpit air relative humidity variation with time

图8 制冷量随时间的变化Fig.8 Refrigerating capacity variation with time

4）性能系数（COP）。由图9可知，地面状态下开机时，制冷系数COP迅速达到稳定。

图9 性能系数随时间的变化Fig.9 Cop variation with time

由上分析知，制冷量随时间逐渐减少，系统内制冷剂流量减小，压缩机耗功也对应降低，因此COP值基本稳定不变。即使环境温度高达40℃，系统性能系数仍可达到4，较家用/车用空调能效比高[16]。

2.2 飞行状态

保持蒸发循环系统参数不变，研究典型任务剖面下的系统性能动态变化。

1）任务剖面。根据直升机特点，建立如图10典型任务剖面[17-18]，且每上升1km，大气温度降低6.5℃。

图10 任务剖面Fig.10 Flight envelope

2）座舱空气温度。图11为飞行状态下，舱内空气温度随时间的变化关系。

图11 座舱空气温度随时间的变化（飞行）Fig.11 Cockpit air temperature variation with time（flying）

由图11可见，直升机开车时，制冷系统尚未完全启动，由于发动机及人员散热，导致舱内温度高于外界环境温度。在整个上升过程中，舱内温度不断降低；在下降，由于机外大气温度升高，舱内温度轻微上升。且制冷系统不再像地面状态时快速达到稳定，这是由于飞行过程中，制冷系统需要通过不断调节来平衡外界环境参数的变化。

3）座舱空气相对湿度。图12为舱内空气相对湿度随时间的变化关系，系统在开启的前3min内，空气相对湿度值变化较快。之后受外界环境参数影响，其值逐渐增大至平稳，飞行结束时稳定在60%左右，满足舒适性要求。

图12 座舱空气相对湿度随时间的变化（飞行）Fig.12 Cockpit air relative humidity variation with time（flying）

4）制冷量。飞行状态下，系统制冷量的变化如图13所示。由图13可以看出，系统制冷量值逐渐降低，且变化曲线较地面状态不光滑，制冷系统性能受飞行状态下外界参数影响较大。直升机最终停车时，制冷量为7.0 kW左右，满足设计要求。

图13 制冷量随时间的变化（飞行）Fig.13 Refrigerating capacity variation with time（flying）

5）性能系数（COP）。与地面状态不同，飞行状态下系统制冷系数的变化曲线如图14所示，在不同飞行阶段COP值变化明显，其中海拔越高，机外空气温度越低，制冷系数越大，即巡航阶段性能系数最高。另外，初始地面温度越低，制冷系数越高。

图14 性能系数随时间的变化（飞行）Fig.14 COP variation with time（flying）

3 结论

本文基于AMESim仿真平台，搭建了某直升机座舱制冷系统及座舱的热模型。计算得到地面与飞行2种状态下，地面初始温度分别为30℃、35℃、40℃、45℃时，舱内空气的温、湿度，以及系统制冷量及性能系数随时间的动态变化关系。得到如下结论：

1）地面状态时，制冷系统在开机20min后性能达到稳定，制冷量满足设计要求，系统性能系数高于4，且座舱最终温、湿度分别为27℃、60%，满足舒适性指标[19]；

2）飞行状态下，系统系能受飞行高度影响较大，且海拔越高，系统性能系数越大；

3）飞行任务剖面对制冷系统性能影响较大，故今后在设计机载蒸发循环制冷系统时，可先通过仿真手段预测直升机在不同任务剖面下制冷系统动态变化，辅助完成制冷系统的设计、校核及优化。