飞机冷浸透试验油箱油温变化规律研究

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摘要 本文将试验数据拟合法应用机鉴定试验之中,研究了油箱油温的变化规律,研究表明冷浸透试验中油箱油温是呈指数递减的,且翼尖部位油箱油温比翼根部位油箱油温下降速度快。通过试验拟合,在电源车不能持续供电、油温参数不能持续测量的情况下,获得了非测量时段的油温信息,为飞行试验提供了更多的数据支持。

关键词 飞行试验;冷浸透;燃油;油温;指数下降

中图分类号V216.5文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)21-0093-03

Study on the Tank Oil Temperature Variation in Aircraft Cold Soak Test

REN Wei,LV Meiqian,WEI Jinzhou

Chinese Flight Test Establishment,Xi’an 710089,Shanxi Province,China

Abstract This paper applies fitting curve method of test data in airplane certification test and investigates regularity in fuel tank temperature. Result of the thorough cooling experimentation shows temperature of fuel tank decrease as exponential form, and the speed of temperature reduction in the tip of wing is fast than that in the root of wing. Through the method, we can acquire information about fuel temperature even electricity supply cannot be durative and fuel temperature parameters cannot be measured constantly, and we can provide more data which is helpful for flight test.

Keywords temperature of fuel;fuel;thorough cooling;decrease as exponent;flight test

0 引言

随着国家对运输机重视度的提高和投入的增加,我国民航客机得以蓬勃发展,民航飞机适航认证单位对认证工作的认识和研究也逐步深入。高寒试验是民机适航取证的一项重要试验,燃油冷浸透试验则是燃油系统高寒试验的重要一环。所谓冷浸透试验是指飞机加满油在低温条件下停放12h以上,使燃油温度达到最低状态。冷浸透试验期间如果要获得试验数据(主要是温度)就需要由地面电源车给测试系统供电,而试验时大气环境温度较低(-40℃左右),电源车温度太低就会停止工作,实际操作中采取的办法是每间隔几十分钟采集一次数据,一次采集数分钟,而如此间歇性的数据采集使实验人员对非采集时间段的数据信息难以获知,而且使试验人员。本文针对飞机燃油系统的特点,以传热学理论为指导,曲线拟合为手段找出了油箱油温变化规律,从变化规律中可以准确获知整个试验时间段的油温信息。

1 试验对象简介

试验油箱有四个都是机翼油箱,分别为左翼翼根油箱、左翼翼尖油箱、右翼翼根油箱、右翼翼尖油箱,左右两侧油箱对称分布,如图1所示。每个油箱各有一个油温测点,均加装在各油箱前缘底部。四个油温参数分别为左翼翼根油箱油温、左翼翼尖油箱油温、右翼翼根油箱油温、右翼翼尖油箱油温,分别与相应油箱对应。测试参数5个,参数名称、符号、单位、精度见表1。

2 试验方法

试验开始前,飞机余油约2 500kg,然后开始向飞机加油,17时30分左右飞机加满油。由地面电源车向测试仪器供电测试记录油箱燃油温度,从18时50分开始记录数据,每次记录10min,此后每间隔50min记录一次数据,一共记录13次,至第二天7时左右结束试验。

3 试验结果处理及分析

3.1 数据拟合关系的建立

为曲线拟合和分析方便,油箱油温可经过无量纲处理:

θ=(t- t∞)/( t0-t∞) (1)

t0为油箱初始油温,t∞为大气环境温度, t为传感器所测油温,θ为无量纲温度,也即过余温度。

从试验结果曲线趋势来看,油箱油温变化比较符合指数规律,可假设过余温度有如下关系:

τ为时间,a、b为常数,对(2)式两边取对数可得:

对(3)式可用线性关系来拟合:

式(4)可用最小二乘法来求解[2]。

3.2 试验数据选取

由于采样数据比较多,13个时间段,每段600s,每秒16个数据点,如果全部数据点均作为拟合样本点的话,工作量将非常庞大。本文仅将从当日晚上19时到次日早上7时整为止12个小时的整点数据提取出来进行研究。t0取各油箱油温初始取样点,t∞为大气环境温度及表1中的TTB。

3.3 试验数据拟合

图2所示为油箱过余温度曲线。处理过程中大气环境温度t∞在长达12小时的试验期间在-32℃至-36℃之间变化,变化幅度不大,因此做了平均。平均大气环境温度t∞=-34.57℃.。17时30分油箱刚加满油,此时油箱燃油刚开始参与换热,本应将此时燃油温度视为初始油温t0,但加油时对飞机通电有限制,因此,18时50分之前的燃油温度没有测量,文中选取了19时各个油箱油温作为对应过余油温的t0。

图3为各油箱燃油过余温度的拟合曲线。从图中可以看出,GTFAWL1_1、GTFAWR1_1、GTFAWL2_1拟合度较高,GTFAWR2_1与实测温度曲线差别较大,这从的拟合系数和误差中可以清楚反映出来。

图4是各条拟合曲线反推的温度与实测温度之间的误差值,从图中可以看出拟合误差主要出现在拟合曲线开始段和中间段,拟合后期误差是比较小的,拟合误差后段在-0.3℃和0.4℃之间,这对最终温度预测是比较有利的。

油箱油温曲线的拟合公式和误差可见表2。拟合系数R2表征了拟合曲线和过余温度变化曲线之间的拟合程度,取值范围为(0,1),当R2越接近于1,则拟合曲线可靠性越高。而四个油箱油温拟合误差Δt,除了右翼翼尖油箱油温前两小时的误差高达1.89℃之外,其它时刻误差都在在(-0.7℃, 0.6℃)之间。因此,拟合公式是可信可用的。

3.4 试验结果分析

3.4.1 油温变化趋势分析

4个油箱油温的变化规律下面的关系式来分析:

由此可见,油温下降的速率,随着时间的推移,将越来越小,且翼尖油箱油温比翼根邮箱下降快,这可能是翼尖处机翼较薄,传热较快的缘故。

3.4.2 拟合系数与误差的关系

拟合系数R2表征了拟合曲线和过余温度变化曲线之间的拟合程度,R2越接近于1,则拟合曲线可靠性越高。拟合过程中,四个油温参数拟合系数R2存在GTFAWR1_1(0.9982)>GTFAWL1_1(0.9978)>GTFAWL2_1(0.9976)>GTFAWR2_1(0.9926)的关系,而四个油温参数的最大拟合误差Δt也存在GTFAWR1_1(0.53)

3.4.3 拟合误差走势分析

图4中4条曲线的拟合误差除了GTFAWR2_1在前两点比较大之外,其它3条曲线误差走在(-1,+1)之间,且随着时间的推移,误差上下波动有减小的趋势,这对拟合结果是比较有利的,因为实验人员最为关心的是实验结束时刻的燃油温度。

4 飞机油箱油温变化规律研究方式分析

飞机燃油箱油温变化问题属于三维非稳态类平板无内热源导热问题,它的导热微分方程容易给出,而若将油箱燃油看成六面体的话,那么每个面上都可能存在对流换热、传导换热、辐射换热等换热形式中的一种或几种,每个面上的换热各不相同,因此计算燃油与空气之间的综合换热系数将非常复杂,边界条件很难给定。譬如油箱上下两个表面与外界大气之间就有3种换热组成,燃油和空气之间有飞机蒙皮的传导换热、蒙皮与空气的对流换热以及蒙皮与环境之间的辐射换热。蒙皮的热传导在给定飞机型号的情况下是固定值;冷浸透试验属于地面试验,地面试验无风情况下蒙皮与空气之间的对流属自然对流,自然对流换热系数正比于蒙皮与大气温度之差随着燃油温度的下降,温差也将缩小,因此对流换热系数也将减小;蒙皮与环境之间的辐射换热,常温左右辐射换热双方温差不大情况下,辐射换热等效换热系数量级是比较小的,但是自然对流本身换热强度也不大,和辐射换热量级相当,因此辐射换热是需要考虑的。而辐射换热系数与蒙皮以及大气环境温度都相关,也将是一个变量。因此,油箱上下两个表面燃油与大气之间的综合换热系数的计算是非常复杂且不断变换的。油箱燃油换热问题的边界条件是很难给出的,此类换热问题解析解就很难给出[2,3],飞机油箱燃油变化规律使用实验拟合和数值计算求解的研究方法更为可行。

因为飞机定型过程可能要遭遇各种难以预料的故障,需要试验过程来暴露各种设计缺陷,因此飞行试验是难以替代和取消的。在必定有大量试验数据的背景下,试验拟合法就显得更为简单易用且可靠,它可以为同型号不同架飞机同一现象变化规律提供指导。而数值求解通过对不同飞机型号同一问题多次求解,与试验数据比较,可以在同类问题上形成比较可靠的计算模型,可应用于某些较复杂的流场温度场预测。实验拟合和数值求解各有利弊,应交叉使用,为飞行试验提供有益补充。

5 结论

飞机燃油系统高寒试验结果的拟合分析为燃油冷浸透试验提供了理论支持。首先,燃油冷却速度是随时间呈指数下降的,因此若要高效利用大气来冷却燃油,冷却时间并非越长越好,而是应选择尽可能低温的大气环境和燃油初始温度,提高飞机蒙皮对流换热效率如刮风的天气;其次,飞机各油箱油温下降速率是不一样的,越靠近机身侧的油箱油温下降越慢,因此若要待整架飞机的油温下降到某个温度点,可以以内侧油箱油温为参考点;第三,即使布局对称的飞机对称位置油箱油温也是有一定区别的,因此对称位置两油箱油温都测量是必要的;第四,因为飞机油箱在自然对流换热情况下,需要考虑多种换热方式,且换热系数随时间不断递减,因此分析求解几乎不可用,应用试验拟合和数值求解更为有利;第五虽然电源车无法长时间在冷气候环境下工作,但油箱油温是呈指数下降的且下降是极其缓慢的,因此每次测量时间可适当缩短,采样率也不必太高,非测量时段油温信息通过数据拟合也是可以得到。

参考文献

[1]钱政,王中宇,刘桂礼.测试误差分析与数据处[M].北 京:北京航空航天大学出版社,2008:134-144.

[2]杨世铭,陶文铨.传热学[M].3版.北京:高等教育出版 社,1998:92-104.

[3]张靖周.高等传热学.北京:科学出版社,2009:62-82, 92-106.