李漫露，龐麗萍，馬德勝

（1.北京動(dòng)力機(jī)械研究所，北京 100074；2.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

高速飛行器技術(shù)作為航空和航天技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)，以其顯著的價(jià)值和巨大的潛力成為世界大國(guó)競(jìng)相發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。2010年5月，美國(guó)空軍發(fā)布《技術(shù)遠(yuǎn)景2010-2030》，提出美軍未來(lái)所需的30項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，其中快速戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視和偵察/打擊系統(tǒng)、高速突防巡航導(dǎo)彈和可重復(fù)使用航天運(yùn)載器等多項(xiàng)核心技術(shù)均與高速飛行器技術(shù)有關(guān)[1-2]。高速飛行器電子設(shè)備集成化程度高且數(shù)量多，使得對(duì)飛行器電子設(shè)備散熱的研究顯得尤為重要。對(duì)于飛行器電子設(shè)備散熱問(wèn)題，傳統(tǒng)的方法是以沖壓空氣為熱沉[3-8]，以防凍液作為制冷劑對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行冷卻。隨著飛行器飛行速度的提高和電子設(shè)備釋放的熱量越來(lái)越多，傳統(tǒng)的冷卻方式已無(wú)法滿(mǎn)足高速飛行器電子設(shè)備的冷卻需求，需要開(kāi)發(fā)更加高效的制冷方式?；诟呖盏蜌鈮簵l件下液態(tài)水具有較大的蒸發(fā)潛熱的特點(diǎn)，本文以水為熱沉，采用防凍液冷卻電子設(shè)備的制冷方式，分析高空環(huán)境下水的相變換熱性能，為高速飛行器電子設(shè)備在低壓環(huán)境下的冷卻研究提供參考。

1 電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)

機(jī)載電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由水蒸發(fā)器、儲(chǔ)液箱、泵、脈沖電子設(shè)備、恒定電子設(shè)備以及控制閥等主要組件構(gòu)成。其中脈沖電子設(shè)備是周期為4 ms且峰值功率為15 kW的電子設(shè)備；恒定電子設(shè)備的功率不隨時(shí)間變化，為一恒定數(shù)值。

圖1 機(jī)載電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)圖Fig.1 Cooling system of airborne electronic equipment

1.1 冷卻原理

冷卻系統(tǒng)中防凍液的循環(huán)方式為常壓閉環(huán)流通。308 K的防凍液由液冷泵從儲(chǔ)液箱內(nèi)抽出，首先流經(jīng)脈沖電子設(shè)備，防凍液溫度升至328 K左右；然后流經(jīng)恒定功率的恒定電子設(shè)備，防凍液溫度升高至343 K左右；隨后防凍液進(jìn)入水蒸發(fā)器中，通過(guò)換熱器將熱量傳遞給水，水在低壓環(huán)境下吸熱沸騰相變，降溫后的防凍液再次流入儲(chǔ)液箱，完成一次制冷循環(huán)。

1.2 冷卻工況

高速飛行器巡航高度為27 km，脈沖電子設(shè)備溫度不能超過(guò)333 K，恒定電子設(shè)備的溫度不能超過(guò)343 K；防凍液的質(zhì)量流量約為0.25 kg/s；由于外界環(huán)境壓力約為2 kPa左右，此時(shí)水的沸點(diǎn)溫度約為293 K左右，水吸收防凍液熱量升溫后易發(fā)生相變；為了使水蒸發(fā)器內(nèi)的水蒸氣更易溢出，對(duì)水箱抽氣，水箱內(nèi)的壓力略高于所處外界環(huán)境200 Pa左右。

2 仿真建模

2.1 水蒸發(fā)器模型

針對(duì)水蒸發(fā)器中換熱器的防凍液側(cè)和水側(cè)進(jìn)行了換熱量計(jì)算，其中，水側(cè)換熱量分為兩種：一種是水箱內(nèi)水升溫過(guò)程吸收的顯熱；另一種是水箱內(nèi)水蒸發(fā)帶走的潛熱。

防凍液側(cè)換熱量計(jì)算：

式中：Q為防凍液側(cè)換熱量，kW；mg為防凍液側(cè)質(zhì)量流量，kg/s；Cpg為防凍液的定壓比熱，kJ/（kg·K）；為防凍液入口溫度，K；為防凍液出口溫度，K。

水箱內(nèi)水升溫過(guò)程吸收的熱量：

式中：Q1為水升溫過(guò)程吸收的熱量，kW；mw為水箱內(nèi)水的質(zhì)量，kg；Cpw為水的定壓比熱，kJ/（kg·K）；tv為水的蒸發(fā)溫度，K；tw為水的初始溫度，K。

水箱內(nèi)水沸騰帶走的潛熱：

式中：Q2為水蒸發(fā)帶走的潛熱，kW；Δmv為水的蒸發(fā)量，kg；r為水的氣化潛熱，kJ/kg。

由能量守恒Q=Q1+Q2并結(jié)合式（1）（2）和（3）可以得出水箱內(nèi)水的蒸發(fā)量計(jì)算公式：

水蒸發(fā)器熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型遵循以下熱力學(xué)公式，在壓力低于4 MPa時(shí)，水蒸發(fā)器的過(guò)熱度與對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算如式（5）（6）。

式中：Tw為壁面溫度，K；Ts為水的沸點(diǎn)溫度，K；q為熱流密度，W/m2；p為水蒸發(fā)器箱體內(nèi)的壓力，MPa。

式中：hpool為沸騰換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

2.2 仿真程序

建立基于AmeSim軟件的仿真模型，如圖2所示。包括：脈沖電子設(shè)備、恒定電子設(shè)備、水蒸發(fā)器、儲(chǔ)液箱和泵等主要組件。

圖2 基于Amesim軟件的仿真模型Fig.2 Simulation model based on Amesim software

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 邊界條件

恒定電子設(shè)備冷卻功率為5 kW。脈沖電子設(shè)備冷卻平均功率為15 kW，如圖3所示，其中脈沖電子設(shè)備為間歇發(fā)熱熱源，脈沖周期為4 ms，峰值為500 W/cm2。

圖3 脈沖電子設(shè)備功率Fig.3 Power of pulse electronic equipment

電子設(shè)備冷卻采用防凍液，仿真邊界條件如表1所列。

表1 仿真邊界條件Tab.1 Simulation boundary conditions

3.2 仿真結(jié)果分析

結(jié)合熱力學(xué)第一定律進(jìn)行仿真分析，得到了防凍液進(jìn)出水蒸發(fā)器及脈沖電子設(shè)備的溫度變化如圖4和圖5所示。

圖4 防凍液進(jìn)出脈沖電子設(shè)備溫度Fig.4 Temperatures of antifreeze in and out of electronic equipment

圖5 防凍液進(jìn)出水蒸發(fā)器溫度Fig.5 Temperatures of antifreeze at inlet and outlet water evaporator

由圖4～5可以看出，防凍液流出脈沖電子設(shè)備時(shí)的溫度約為331 K，防凍液進(jìn)出恒定電子設(shè)備的溫度分別為331 K與343 K，同時(shí)防凍液流出水蒸發(fā)器的溫度為308.15 K，滿(mǎn)足了機(jī)載電子設(shè)備冷卻需求。

由圖6可以看出，水蒸發(fā)器的耗水速率變化較小，約為0.008 kg/s。這是由于飛行器巡航階段電子設(shè)備產(chǎn)生熱量基本恒定，同時(shí)在巡航階段由于高度沒(méi)有發(fā)生改變，這就使得飛行器外界環(huán)境壓力不變，從而使水的沸點(diǎn)基本不變。由圖7可以看出，耗水量基本上與飛行時(shí)間呈正相關(guān)，在總電子設(shè)備工作時(shí)間內(nèi)水蒸發(fā)器的總耗水量約為25 kg。

圖6 水蒸發(fā)器的耗水速率Fig.6 Water consumption rate of water evaporator

圖7 水蒸發(fā)器的耗水量Fig.7 Water consumption of water evaporator

4 結(jié)論

高速飛行器在巡航狀態(tài)下，利用水蒸發(fā)器作為熱沉對(duì)機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行冷卻。仿真分析結(jié)果表明，在整個(gè)飛行時(shí)間內(nèi)，水蒸發(fā)器可以將防凍液的溫度由343.15 K降至308.15 K，滿(mǎn)足了防凍液進(jìn)入脈沖電子設(shè)備溫度不高于333 K的需求。此外，本方案采用液態(tài)水作為主要熱沉吸收系統(tǒng)的熱負(fù)荷，提高了換熱性能，減少了對(duì)環(huán)境的污染，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能與經(jīng)濟(jì)的要求。