每一次飛行任務中燃油系統(tǒng)都是至關(guān)重要的，因為燃油的重量在整個飛機總重中占有相當?shù)谋壤?，所以飛機的框架設(shè)計必須足夠堅固以支撐足夠大的燃油重量。同時在飛行中，由于燃油的消耗導致飛機重心的改變必須不影響飛機的操控性和飛行動力學。因此在產(chǎn)品設(shè)計的早期階段，作出正確的決策對于燃油系統(tǒng)成功的研發(fā)至關(guān)重要，尤其對復雜燃油系統(tǒng)不同方案進行性能評估是保持創(chuàng)新性的必要條件；為了滿足燃油系統(tǒng)以上種種要求，傳統(tǒng)的基于試驗方法已不能完全滿足設(shè)計開發(fā)需求，隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，基于模型的系統(tǒng)工程方法已經(jīng)成為燃油系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
基于模型的系統(tǒng)工程方法，即通過應用模型來支持系統(tǒng)的需求定義、設(shè)計、分析、校核和驗證，從概念設(shè)計階段開始貫穿整個開發(fā)流程?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程是系統(tǒng)工程的重要一環(huán)，在設(shè)計的早期可以把物理系統(tǒng)的模型和控制系統(tǒng)的模型耦合起來建立機電一體化系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，在系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上對整體方案進行分析和優(yōu)化并完成各個子系統(tǒng)的性能指標設(shè)定。
工程師通過建立完整的航空燃油系統(tǒng)模型，輸入多組燃油箱的CAD信息、空間位置信息，定義飛行剖面、大氣環(huán)境，設(shè)置油箱進出口高度（任意多油口）和油箱運動信息（加速度、姿態(tài)），計算在整個飛行周期燃油系統(tǒng)燃油/氣體的流量、壓力、溫度等的瞬態(tài)變化，分析在不同飛行姿態(tài)和加速度下的油箱液位高度、燃油容積、重心、自由面形狀、油/氣換熱、進出油狀態(tài)等重要信息，這為燃油系統(tǒng)和元件的選型及優(yōu)化提供了有效技術(shù)手段。
1. 燃油箱供輸油系統(tǒng)仿真分析
航空燃油箱應具有足夠的容量，保證發(fā)動機正常工作時的消耗。隨著油箱內(nèi)的油面下降，油量表傳感器連續(xù)發(fā)出信號，駕駛員通過座艙內(nèi)的油量表，就可以知道油箱內(nèi)剩多少油。同時，通氣管將外界大氣或者增壓空氣引入油箱，填補油面下降空出的空間。增壓油泵向發(fā)動機供油，保證發(fā)動機的燃油泵進口具有足夠的油壓。
為了充分利用飛機容積，緊湊安排空間，現(xiàn)代飛機的供油系統(tǒng)都有幾個油箱，大型飛機更多，油箱之間用輸油管路連接，管路縱橫交錯。在飛行過程中，既要保證發(fā)動機正常耗油，又要考慮燃油消耗所帶來的油箱重心位置變化導致的飛行動力學問題，因此供輸油系統(tǒng)在設(shè)計前期就必須考慮以上要求，基于西門子公司Simcenter Amesim可以對整個燃油供輸系統(tǒng)進行建模與分析。
1
仿真目的
模擬飛機機翼加油過程，分析各個油箱加油時間，油量變化、液位變化、通風口流量特性、油箱氣體壓力及各種閥工作過程，主要用于油箱系統(tǒng)設(shè)計。
機翼油箱系統(tǒng)如圖1所示，包括位于右側(cè)機翼4個油箱，分別為連接油箱、內(nèi)測油箱、中間油箱和外側(cè)油箱。燃油從內(nèi)測油箱注油口進來，經(jīng)過帶有單向閥的平衡管到達外部油箱，并通過板閥進入中間油箱；液位傳感器安裝在外部油箱上，主要用于控制油量，另外內(nèi)測油箱通過板閥給連接油箱供油。
▲圖-1 機翼燃油箱系統(tǒng)
2
建模
基于上述原理，具體建模如圖2所示，包括注油口（refueling port），四個油箱（collect tank、inboard tank、Mid tank、outboard tank），平衡管（balance tube），通風口（venting），板閥（flap valve），排油閥（drain hole）和液位傳感器（high level sensor）。當液位傳感器檢測到外側(cè)油箱液位接近通風口時，給出控制信號，切斷注油口油量輸入。
▲ 圖-2 機翼燃油箱系統(tǒng)仿真模型
3
仿真分析
A）仿真工況設(shè)定：給定壓力、溫度源作為燃油輸入，當液位傳感器檢測到外側(cè)油箱液位接近通風口時，給出控制信號，切斷注油口油量輸入。
B）分析結(jié)果：仿真完成后，得到各個油箱的油量變化，如圖3所示。
▲圖-3 燃油箱油量變化特性
在系統(tǒng)中，單向平衡管連接內(nèi)外側(cè)油箱，保證氣體/液體單向流動，其模型如圖4所示，包括氣路和液路兩部分。
▲圖-4 單向平衡管仿真模型
可以得到平衡管中氣體/液體流量變化情況，如圖5所示。
▲ 圖-5 單向平衡管流量變化特性
在系統(tǒng)中，板閥用于連接外側(cè)油箱和中間油箱，模型如圖6所示。
▲圖-6 板閥專用模型
可以得到流過板閥的液體/氣體流量，如圖7所示。
▲圖-7 板閥流量變化特性
油箱系統(tǒng)通過三個浮閥與外界連接，浮閥開口特性由孔到自由液面的距離來定義，如圖8所示，當距離大于0.1m，閥口全開，小于0.1閥口趨于關(guān)閉。
▲圖-8 閥開啟特性
可以得到內(nèi)測油箱、中間油箱和外側(cè)油箱液位變化和浮閥開口量變化特性，如圖9所示。
▲圖-9 閥開口量變化特性
同樣可以得到通過浮閥的氣體質(zhì)量流量特性，如圖10所示。
▲圖-10 氣體質(zhì)量流量變化特性
每個油箱都會設(shè)置通風口與外界相連，在整個油箱注油過程中，可以得到油箱內(nèi)氣體壓力、流量變化情況，如圖11所示。
▲圖-11 通風口氣體質(zhì)量流量&油箱氣體壓力
2. 燃油惰化系統(tǒng)仿真分析
1
仿真目的
飛機燃油系統(tǒng)起火或爆炸是引起飛機失事的主要原因之一。飛機燃油系統(tǒng)的防火防爆能力，直接關(guān)系到飛機生存力和易損性，也關(guān)系到飛機的利用率、成本以及人員安全。隨著飛行技術(shù)的發(fā)展，飛機上將普遍采用燃油熱管理技術(shù)，使燃油溫度提高，這將導致飛機燃油箱的溫度提高，相應地增加了飛機燃油箱起火爆炸的機率。因此，在不同的飛行狀態(tài)下，控制燃油箱的氧氣濃度，使燃油箱始終處于安全狀態(tài)是非常必要的。
在實際設(shè)計中，為了保證每個油箱的氧氣濃度都低于9%，必須使燃油箱始終處于惰化狀態(tài)，其中一個主要的技術(shù)即是向郵箱充氮氣。但是要想知道不同的飛行工況下各個油箱的氧氣壓力和濃度，什么時候需要充氮氣，這些都是需要采用系統(tǒng)的工程方法來解決。根據(jù)建立的燃油系統(tǒng)模型，包含機載氣體惰化系統(tǒng)，在設(shè)計的早期就可以模擬出不同飛行工況下各油箱的氣體狀態(tài)，根據(jù)計算的氣體組分實時調(diào)整機載氣體惰化系統(tǒng)實施策略，從系統(tǒng)分析的角度最大程度減少燃油系統(tǒng)安全風險。
本例主要分析燃油惰化系統(tǒng)的工作過程。
2
建模
機翼燃油惰化系統(tǒng)建模如圖12所示，包括重力加速度定義、燃油屬性定義、混合氣體物性定義，飛行工況定義，三個機翼油箱，其中最左邊油箱連接通風口，中間和右邊主油箱連接燃油惰化系統(tǒng)（OBIGGS），使用兩個燃油泵從左邊油箱泵油到中間油箱，然后從中間油箱泵油到主油箱。模型中燃油消耗采用4L/min的定值流量源。
▲圖-12 燃油惰化系統(tǒng)仿真模型
3
仿真分析
A）仿真工況設(shè)定：本例采用pull-down工況模式，如圖13所示，飛機在前100s保持11000m高度飛行，然后在600s內(nèi)下降到8000m，相應的俯仰角從0到-10，同時高度信息作為最左側(cè)油箱通風口的輸入，用于計算大氣環(huán)境。
▲圖-13 pull-down工況模式
B）分析結(jié)果：剛開始，三個油箱內(nèi)包含的空氣，氧氣和氮氣含量分別為10%和90%，當燃油系統(tǒng)打開通風口，隨著飛機下降，外界壓力升高，外界空氣進入油箱，使得氧氣濃度顯著增加，為了阻止氧氣含量升高，燃油惰化系統(tǒng)（OBIGGS）開始工作，向油箱沖入富氮空氣（氮氣含量98%，氧氣含量2%），三個油箱的氧氣和氮氣的含量變化如圖14、圖15所示，其中在前300s特別顯著。
▲圖-14 油箱氧氣含量
▲圖-15 油箱氮氣含量
剛開始，氧氣濃度在增加，因為外界壓力和內(nèi)部壓力達到一個穩(wěn)態(tài)平衡，當100s示，飛機開始下降，左邊油箱氧氣濃度顯著增加，其它油箱變化不大，到了300s，燃油惰化系統(tǒng)（OBIGGS）開始工作，氧氣濃度迅速降低，其中主油箱氧氣濃度降得最快，因為直接連接燃油惰化系統(tǒng)（OBIGGS）。
同時也可以得到右邊油箱通風口的流量變化，如圖16所示，剛開始外界空氣流入油箱，使得氧氣濃度稍高，隨著燃油惰化系統(tǒng)工作，油箱向外排空氣，氧氣濃度降低。
▲圖-16 左邊油箱通風口流量變化
在前100s，中間然油箱的氧氣濃度幾乎沒有變化，原因是頂部左邊油箱幾乎充滿燃油，參考油箱間通孔的位置，可以得出如圖17所示的左邊油箱和中間油箱的油位隨時間的關(guān)系，正數(shù)表示液位在通孔之上，負數(shù)表示液位在通孔之下。
事實上，在開始的時候，主油箱和中間油箱與左邊油箱的通風口是隔離開的，主油箱的濃度沒有增加，也是因為這個原因。在100s左右，左邊油箱液位降到通孔一下，中間油箱的氧氣濃度發(fā)生了變化。
▲圖-17 左邊油箱和中間油箱液位變化
3. 燃油箱可燃性仿真分析
1
仿真目的
學習如何使用郵箱幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性定義來模擬郵箱熱特性，并考慮油箱干濕區(qū)域的油溫變化，分析在整個飛行剖面下的燃油箱可燃性。
2
建模
機翼燃油箱可燃性分析建模如圖18所示，包括重力加速度定義、燃油屬性定義、混合氣體物性定義、飛行工況定義、油箱可燃性計算，后處理飛行動畫顯示模塊等；模型主體包括三個機翼油箱，注油和燃油消耗連接在內(nèi)側(cè)油箱，在模型中標注為Compartment12。
▲圖-18 機翼油箱可燃性分析模型
Compartment12油箱的換熱模型如圖19所示，其它兩個油箱的換熱模型類似，每個油箱包括6個熱容，即油箱的六個（上下、前后、左右）換熱面，油箱熱交換主要考慮：
1）外表面與環(huán)境的對流、輻射換熱；
2）內(nèi)部的油、氣、結(jié)構(gòu)的對流換熱；
3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導換熱。
外表面與環(huán)境的對流、輻射換熱主要考慮油箱上、下、后表面，油箱前表面有前緣保護，沒有考慮與環(huán)境換熱，這是模型的一個假設(shè)條件，也可以使用同樣的方法考慮它與環(huán)境換熱；同時三個油箱最外側(cè)的兩個肋面（1、4）定義為內(nèi)部換熱，沒有考慮與外界換熱，中間兩個肋面（2、3）與油、氣換熱與飛行工況有關(guān)，是飛行高度和加速度的函數(shù)。另外可以對油箱中的燃油和氣體添加熱載荷。
▲圖-19 內(nèi)側(cè)油箱換熱模型
詳細的油箱燃油與結(jié)構(gòu)之間的換熱如圖20、圖21所示。
▲圖-20 內(nèi)側(cè)油箱局部詳細換熱模型
▲圖-21超級元件內(nèi)部換熱模型
超級元件內(nèi)部右邊部分是顯性化計算燃油與結(jié)構(gòu)、氣體與結(jié)構(gòu)之間的熱交換系數(shù)，抄截元件內(nèi)部底部部分是計算干、濕面積，輸入來自油箱形狀定義數(shù)表，其數(shù)值用于干、濕面與結(jié)構(gòu)之間的換熱計算，端口1連接結(jié)構(gòu)，熱量是干、濕換熱面之和，同時端口3和4分別連接油箱的7、8口。
油箱可燃性計算如圖22所示。
▲圖-22油箱可燃性計算模型
可燃性與油箱溫度相關(guān)，因此需要定義高低兩個可燃性閾值；在圖中分別為LFL（低的可燃性閾值）和UFL（高的可燃性閾值），使用Amesim信號庫搭建計算模型，根據(jù)油溫和飛行高度計算出LFL和UFL；圖中底下部分是計算給定飛行剖面的可燃性百分比，如果燃油溫度在LFL和UFL之間，燃油箱具有可燃風險。
3
仿真分析
A）仿真工況設(shè)定：給定仿真邊界條件，如圖23所示，包括飛機俯仰角隨時間變化，1000秒之前，俯仰角為0，1000秒到2000秒，俯仰角為15度，2000秒到3040秒，俯仰角為0，3040秒到3750秒，俯仰角為-10度，3075秒到3777秒，俯仰角為10度，3777秒到5000秒，俯仰角為0；注油平均流速在-400s到0s，從6.3ft/s變?yōu)?；燃油消耗在225秒后設(shè)為1.85USgal/min，恒定不變。
▲圖-23仿真工況設(shè)定
B）分析結(jié)果：根據(jù)以上的工況設(shè)計，可以得出各個單體油箱的換熱量，下圖24以compartment23中間油箱為例，分析換熱量隨時間的變化過程，圖24左邊部分為油箱各個面的換熱面積，右邊部分為油箱各個面換熱量計算。
▲圖-24 Compartment23中間油箱各個面換熱量分析
圖-25以Compartment12左邊油箱為例，分析油箱在整個飛行剖面下，油箱溫度變化、可燃性高低閾值，以及可燃性百分比，用于飛機油箱可燃性評估。
▲圖-25 Compartment12左邊油箱可燃性分析
4.全機燃油系統(tǒng)及能量綜合管理分析
飛機燃油系統(tǒng)本身是非常復雜的，且需要和其它子系統(tǒng)耦合工作，在不同的飛行工況下，各個油箱之間是如何協(xié)同供油，如何保證整個飛機重心平衡，如何保證燃油系統(tǒng)的飛行安全，以及燃油系統(tǒng)如何與其它航空子系統(tǒng)進行能量耦合，這些問題都將給基于試驗的設(shè)計方法帶來挑戰(zhàn)，西門子公司提出了基于模型的系統(tǒng)仿真方法，并基于多領(lǐng)域多級復雜度仿真平臺Simcenter Amesim，在整個飛機概念設(shè)計階段，通過搭建完整飛機燃油系統(tǒng)Amesim仿真模型（圖26），可以十分清晰的得出整個燃油系統(tǒng)的燃油能量流分布圖。在不同飛行工況下能夠模擬分析燃油系統(tǒng)的燃油消耗情況、燃油箱惰化性能以及整個燃油系統(tǒng)的重心變化等情況。
▲圖-26 飛機燃油能量管理系統(tǒng)Amesim仿真分析
并在此基礎(chǔ)上，能夠完成與其它航空子系統(tǒng)的能量耦合分析，，如圖27所以，包含燃油系統(tǒng)與環(huán)控、液壓和電氣等系統(tǒng)的熱綜合分析等。
1）考慮燃油作為熱沉與燃油、環(huán)控、液壓、電氣等系統(tǒng)換熱；
2）考慮全飛行剖面下艙室內(nèi)、外熱載荷計算；
3）考慮引氣、冷包與艙室間熱交換；
4）考慮設(shè)備熱載荷與環(huán)控熱交互；
5）考慮燃油與外界環(huán)境換熱。
▲圖-27 全機燃油系統(tǒng)熱管理分析
5. 總結(jié)
運用Simcenter Amesim系統(tǒng)仿真平臺，基于模型的系統(tǒng)分析方法，可以幫助工程師在設(shè)計早期完成燃油系統(tǒng)和元件的選型和優(yōu)化（油箱CAD參數(shù)優(yōu)化、油箱空間布局、管路布置等），且能夠精確仿真分析完整飛行周期（起飛、爬升、巡航、下降、著陸、地面滑跑）下的燃油系統(tǒng)瞬態(tài)行為，預測和驗證特定飛行工況（加速度、姿態(tài)）燃油系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為虛擬集成飛機（熱分析、能量分析）設(shè)計提供有力的技術(shù)手段。
Simcenter 1D 系統(tǒng)仿真
聯(lián)系客服
