基于DPM模型的U形管道内燃油压降及换热特性研究

王新河 李迪 纪学玮 徐擎立 焦兆才 刘翔 张天来

摘要：为探究民用航空器燃油系统换热器内燃油流动特性和换热特性的规律，本文建立了换热器的U形管道简化模型，利用DPM模型进行了数值模拟研究，对比了附加质量力和含水率对管道压降与传热的影响。研究结果表明，压降计算受到附加质量力和含水率的影响，加入附加质量力和含水率增高会使压降计算升高，但附加质量力和含水率对管道出口温度影响较小。另一方面，在U形管道中，弯管区域的换热效果远强于直管区域，且随着含水率的增高，换热效果随之增强。

Abstract： In order to explore the laws of fuel flow characteristics and heat transfer characteristics in the heat exchanger of the civil aircraft fuel system， a simplified model of the U-shaped pipe of the heat exchanger is established in this paper， and the DPM model is used to conduct a numerical simulation study， and compare the additional mass force and The effect of moisture content on pressure drop and heat transfer in pipes. The research results show that the calculation of pressure drop is affected by the additional mass force and water content. Adding additional mass force and water content will increase the pressure drop calculation， but the additional mass force and water content have little effect on the outlet temperature of the pipeline. On the other hand， in the U-shaped pipe， the heat transfer effect of the elbow area is much stronger than that of the straight pipe area， and with the increase of the water content， the heat transfer effect is enhanced.

关键词：燃油系统换热器;流动特性;换热特性;压降

Key words： fuel system heat exchanger;flow characteristics;heat transfer characteristics;pressure drop

中图分类号：TK474.2                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0033-03

0  引言

自2020年年初新冠疫情爆发至今，民航业实现了触底反弹，随着疫情被控制住，民航业务逐渐复苏，空中航线的数量呈现出上升的趋势。为了提高飞行效率，更多的极地航路被开发出来作为飞行航线[1]。然而，在极地飞行的过程中，飞机长时间处于低温的工作环境，燃油中的水会结成冰，当冰堵塞油滤、阀门等设备时，就会造成系统故障，著名的“冰殇事件”就是由于燃油管道上的冰脱落堵塞了燃油热交换器导致的[2]。

因此，管道内多相流流动的流动、换热特性等内容开始受到越来越的学者的关注。徐立等[3]利用多相流混合模型对换热管道的海水—冰晶两相流的换热特性进行了数值仿真，结果表明了流速对于换热效果的显著影响。陈志华等[4]对管道稳态流动非均匀温度场进行了研究，结果表明管道温度场受到原油入口温度、入口流速、保温层厚度及保温层与外部的换热系数的影响。马英[5]利用多相流混合模型研究了典型工况下，直接空冷式凝汽器中的翅片管管内蒸汽的流动与凝结换热情况。

基于此，本文将开展航空燃油系统换热器中燃油的压降及换热特性仿真模拟研究，构建航空燃油换热器管道简化模型，利用ANSYS FLUENT分析燃油中的水对燃油压降及换热特性的影响规律。本文研究成果对航空器燃油系统换热器内燃油流动和换热特性的研究具有一定意义。

1  DPM模型验证

1.1 DPM数学模型

我国民航标准为燃油的体积含水率不超过0.2%[6]，同时考虑到高空飞行时外部潮热的空气携带的水分通过通风油箱进入油箱发生冷凝等原因[7]，本文认为燃油热交换器中燃油的含水率不超过1%，因此，选用DPM模型[8]建立控制方程，分别采用欧拉体系和拉格朗日体系建立航空燃油控制方程和水滴控制方程。

1.2 可行性验证

为证明DPM模型的计算准确性，本文参考文献[9]中的实验条件和数据，与数值模拟的结果进行对比，对比结果如图1所示。图1横坐标为油相所占体积比例ɑ，纵坐标为单位长度下，混合流压降与单相水压降的比值，即ΔPm/ΔPw。由图1可知，使用DPM模型進行仿真模拟得到的结果贴近于实验结果，证明DPM模型的计算准确性较高。