● 摘要
高超声速技术所引起的气动热对飞行器气动热设计提出了更高要求的同时， 也对舱内热环境带来了严峻的考验，特别是对舱内发热电子设备的热控设计方面。 对于常规飞行器来说，其舱内电子设备的冷却主要采用的是自然对流冷却的方式， 而随着电子设备应用的越来越多、功率越来越大，单纯的依靠空气的自然对流对 其进行热控设计已经不能满足要求了。 随着 CFD 仿真技术应用的越来越广泛，利用 CFD 仿真对舱内热环境进行瞬 态分析的相关研究已经很多。 本文在以实验结果作为标准模型的基础上，探讨了 舱内设备浸油条件下燃油自然冷却 CFD 计算的一些问题，重点分析湍流模型、 计算时间步长、 物性参数设置、有无自然对流、 舱内设备辐射和热防护层厚度减 小对舱内热环境仿真的影响。 具体研究内容包括： 1）燃油自然对流 CFD 仿真模型验证：在以参考文献实验结果作为参照的基 础上，对燃油自然对流的模型进行了验证，使用的软件是通用 CFD 软件包 Fluent， 湍流模型采用的是符合漩涡流动的 RNG k-epsilon 模型，计算结果无论是和实验 还是理论，都和燃油自然对流吻合度很高，说明模型是可取的。 计算结果显示在 333s 之后，方腔内的燃油自然对流强度就已经很弱了，其 温度场和速度场基本处于收敛状态。而流场方面，其在腔内先是形成一个大涡， 然后大涡会倾斜，最终的流线显示其流场会在高温壁面和低温壁面附近形成两个 小涡， 但整体仍旧是一个大涡。 2） 燃油自然对流 CFD 仿真计算精度的影响因素研究：主要研究了湍流模型 （ k-omega、 large eddy、 standard k – epsilon、 RNG k-epsilon）、不同计算时间步 长（ 0.01s、 0.1s、 1s）和无自然对流燃油纯导热与有自然对流换热的对比三个方 面的因素。结果显示选取的湍流模型中除了大涡模型之外，其他三种模型的契合 度还是很高的；计算时间步长方面，在最初的计算时间内，时间步长的选取对计 算结果还是有一定的影响，但是随着计算时间的增加，其结果基本没有区别。 3） 燃油箱瞬态热环境仿真研究：在自建燃油箱模型基础上，与飞行器正常 工况下舱内热环境的瞬态仿真做对比，研究了无自然对流舱内热环境的换热规律、 设备外表面辐射率对其温度的影响以及热防护层厚度减小对舱内热环境的影响。 结果显示， 不论空气的自然对流还是燃油的自然对流，其对电子设备的防护都是 有很大作用的；设备外表面辐射率减小会对舱内设备的温度产生一定的影响，设 备外表面温度会随着辐射率的减小而降低； 热防护层厚度的减小对舱内热环境有 很大的影响，热防护层厚度减小过多会造成舱内环境温度的急剧上升。