基于Flowmaster的民用飞机燃油系统高低温特性仿真方法与验证研究|仿真方法|发动机|工况|民用飞机|燃油箱|燃油系统|管路

民用飞机燃油系统是飞机的核心功能系统之一，其在高低温极端环境下的工作性能直接关系到飞行安全与任务可靠性。本文基于流体仿真软件Flowmaster，针对某型民用飞机燃油系统开展简化建模研究，对飞行包线内燃油系统特定工况下的高低温特性进行系统仿真分析，对油箱内燃油温度变化与通气压力变化开展仿真计算与定量分析。研究涵盖冷天（-40℃）与热天（55℃）两种极端环境条件，综合考虑油箱材质（金属/复材）、载油量（满油/典型航段）、燃油牌号（RP-3/Jet A-1/Jet B/JP-4）四种关键影响因素，共计32种计算工况。仿真结果表明，金属油箱比复材油箱散热更快，燃油量少的油箱温变速率更高，燃油与环境温差大的油箱换热更剧烈。

PART.01民用飞机燃油系统研究分析

1.1 民用飞机燃油系统的作用与重要性

民用飞机燃油系统承担着机载发动机（含辅助动力装置APU）所需燃油的储存、输送与管理任务。其在飞机允许的一切飞行状态和工作条件下，须按既定顺序向发动机不间断地供给规定压力和流量的燃油。此外，燃油系统还兼具加油、放油、保持飞机重心在规定范围内等附加功能。

燃油系统的性能直接关系到飞机的飞行安全性、经济性和任务完成能力。在民用航空领域，燃油系统设计必须满足适航规章的严格要求，涵盖燃油箱可燃性、燃油温度控制、供油可靠性等多个维度。随着民用航空市场的持续发展，飞机运营环境日趋多样化——从极地航线的严寒到中东地区的酷热，燃油系统在全温度包线内的适应性成为型号研制的关键课题之一。高低温边界条件下外界环境十分严苛，对燃油系统主要部件的工作性能影响巨大，进而直接影响到货架产品的选择和布置安装。

1.2 燃油系统高低温性能研究的工程意义

燃油温度是影响燃油系统安全与性能的核心参数。低温环境下，燃油黏度增大、流动性降低，可能引发供油不足甚至管路冰堵等风险；高温环境下，燃油蒸气压升高、油箱内压力积聚，可能影响通气系统正常工作，并增加燃油箱可燃性风险。因此，如何验证燃油系统在温度包线内的工作性能，对于燃油系统的设计和完善至关重要。

在民用飞机燃油系统设计的方案论证阶段，高低温性能仿真计算通常在早期开展，用于系统的功能性验证及方案架构的迭代完善。通过仿真手段在物理试验之前提前识别设计风险、优化系统参数，可显著降低研制成本与周期。

1.3 Flowmaster软件简介及其在燃油系统仿真中的应用

Flowmaster软件是一款全球领先的一维流体管网系统仿真工具，包含了一系列精心设计的模块用于各种系统管流计算。其图形化用户交互界面能够帮助设计工程师方便而准确地对各种复杂流体系统进行仿真计算及结果分析。

在航空领域，Flowmaster广泛应用于燃油系统、环控系统、液压系统的仿真分析。工程师可以利用Flowmaster中的元件库（如油箱、泵、管道、控制阀、止回阀等）建立完整的飞行器供油系统模型，对模型进行各种工况的仿真，精确获得每种工况下的油压、流量、温度、流速和其他性能参数，同时也可进行瞬态的热传导分析。Flowmaster的分析模块可对流体系统进行稳态和瞬态分析，可对可压缩流体和不可压缩流体进行分析。

在飞机燃油系统设计中，合理的建模可以较为真实地还原燃油系统的工作状态，其仿真结果十分接近台架试验结果。研究表明，基于Flowmaster建立的热管理系统仿真模型，供油箱内燃油温度与试飞数据的平均绝对误差可控制在2.18%和3.61%以内。

PART.02某型民用飞机燃油系统概述

2.1 燃油系统总体架构

某型民用飞机采用上单翼布局，机翼油箱采用整体式硬油箱。每侧机翼各有一个整体结构燃油箱，单侧燃油箱用隔板分割为四个隔舱，各个隔舱上部彼此相连。处于内侧的油箱舱为供油室（1号油箱），其余三个油箱舱为储油箱（2号、3号、4号油箱）。

机翼油箱向发动机供油时，储油箱通过输油泵不断向供油箱泵油，耗油顺序为4→3→2→1。该型飞机燃油系统由以下五个分系统组成：燃油箱系统；通气系统；供输油系统；地面加/抽油系统；燃油测量系统。

2.2 加/抽油系统

地面加油系统包括重力加油系统和压力加油系统。重力加油系统通过机翼上表面油箱上部的加油口，利用燃油的位能或加油车提供的压力燃油，给飞机各油箱加注所需燃油；压力加油系统通过飞机起落架舱内的一个加油接头，以密闭的方式和规定的压力，经燃油管路、控制附件给飞机各油箱快速加注燃油。压力加油方式适用于机场地面保障条件较好的场景，可大幅缩短加油时间。

地面抽油功能是指在地面利用燃油增压泵增压，从压力加油接头抽出油箱内的燃油。该功能便于日常维护时的燃油更换或紧急情况下的燃油卸载。

2.3 供油系统

供油系统具有正常供油、辅助供油和重力供油三级保障能力：正常供油：由主供油泵（喷射泵）向发动机供油；辅助供油：当主供油泵失效时，由辅助供油泵（直流电动泵）代替主供油泵向发动机供油。右侧辅助供油泵同时也用于向APU供油；重力供油：当正常供油系统和辅助供油系统均失效时，燃油可在重力作用下自流到发动机；

三级供油体系确保了发动机在各种故障模式下的燃油供给，是燃油系统安全性的重要保障。

2.4 通气系统

该型飞机采用开式通气系统，保持燃油箱与外界大气相通，使油箱内的压力不至于过高或过低，同时避免燃油溢出。

通气箱设在燃油箱外侧，燃油箱和通气箱之间用主通气管相连。通气箱底部设有NACA进气口（由美国国家航空咨询委员会研发），通气箱通过NACA进气口与外界大气相通，从而实现油箱与外界大气的连通。

通气系统的设计直接影响油箱内压力变化特性，进而影响供油泵的工作条件和油箱的结构完整性。

2.5 输油系统

输油系统的主要工作附件是输油喷射泵，其动力由发动机提供。只要发动机或主供油系统正常工作，输油喷射泵就能持续不断地将储油箱内的燃油向供油室转输，以减少油箱不可用燃油量。

输油系统确保了燃油的有序消耗（4→3→2→1），维持了飞机重心的稳定性，并最大限度地提高了可用燃油比例。

2.6 燃油测量系统

燃油测量系统用于实时测量飞机各组油箱的可用燃油量，监测油箱高油位、低油位、油量不平衡和燃油系统各种故障状态。

该系统将上述信息以ARINC429总线格式发送到发动机指示和机组告警系统（EICAS）、压力加油控制板和中央维护系统，必要时发出控制指令信号，以便实现飞机油箱燃油量的显示和控制。

PART.03整体油箱换热模型与建模分析

3.1 油箱换热机理

某型民用飞机采用整体式硬油箱，各油箱隔舱之间上部空间连通。影响油箱换热的因素主要包括：发动机排气与机翼油箱下表面的换热；发动机动流回流与油箱内燃油的换热；辅助供油泵（冷备份，正常情况下不工作）工作时与燃油的换热；飞行过程中上下油箱表面气流与油箱的换热。

油箱中无其它热源。因此，整体油箱的换热模型主要有以下几种：

蒙皮附面层和外蒙皮的气动换热模型
外蒙皮和油箱内空气的换热模型
油箱蒙皮和油箱燃油的换热模型
油箱所处安装位置的换热模型
油箱内热元件和燃油的换热模型

其中，发动机排气与机翼油箱下表面的换热、发动机动流回流与油箱内燃油的换热、辅助供油泵工作时与燃油的换热均需根据已知的输入条件简化，通过建模时进行参数设定。油箱的气流换热模型则需考虑空气、燃油在油箱内的分布，针对上、下蒙皮分别进行分析。

3.2 油箱几何尺寸建模

根据已知机翼油箱模型的三维尺寸、燃油管路直径和空间坐标，可得出燃油箱几何尺寸模型。

几何尺寸建模是仿真的基础，决定了油箱的容积、换热面积、燃油分布等关键参数。对于多隔舱油箱，需精确建立每个隔舱的几何特征及其相互连接关系。

3.3 油箱物理参数建模

根据燃油箱各支路的进出口流阻系数、燃油压力损失、燃油压力、体积流量和油箱内空气绝压等参数，可得出燃油箱物理参数模型。

物理参数建模涵盖了燃油的密度、黏度、比热容等物性参数随温度的变化关系，以及管路元件的流阻特性。不同燃油牌号（RP-3、Jet A-1、Jet B、JP-4）具有不同的物性参数，需分别建模。

3.4 油箱测控建模

油箱测控模型包含：

控制参数：
油箱气体压力
油箱里热元件的热量
油箱相对于飞机参考面的高度

测量参数：

油箱气体质量
气体压力
燃油质量
燃油温度
燃油体积

测控模型是仿真计算中数据采集与反馈控制的核心，其精度直接影响仿真结果的可靠性。

3.5 油箱热属性建模

根据某型民用飞机的飞行剖面和已知计算条件，可设置燃油箱对流系数、油箱散热表面积、油箱环境温度、燃油初始温度等热属性。

热属性建模需考虑：

飞行剖面各阶段（地面滑行、起飞、爬升、巡航、下降、着陆）的环境温度变化
不同高度大气温度的变化规律
油箱壁面与外界空气的对流换热系数
燃油与油箱壁面之间的换热系数

为了能够进行稳态和瞬态的气、液态管路系统计算以及对全飞行剖面进行油箱的热计算，油箱采用Flowmaster的元器件库里的Reservoir：3-arm（3支路）油箱建模。油箱的瞬态计算参数涵盖几何尺寸建模、物理参数建模、测量与控制建模和油箱热属性建模四个方面。

PART.04基于Flowmaster的机翼油箱仿真模型搭建

4.1 系统建模流程

基于Flowmaster的建模流程按照面向对象化的建模方法，对确定的建模需求进行假设和边界条件的确定。具体流程包括：

边界条件数据库的建立：确定系统输入输出的边界条件
元器件的几何参数、物理参数及特性曲线的建立：完成各元件的参数化建模
测量与控制程序的开发：实现仿真过程中的数据采集与控制逻辑
仿真精度和时间步长的设置：确保计算精度与效率的平衡
稳态计算与结果分析：验证建模设置的正确性
飞行剖面数据库的设置：输入全剖面特性参数
全剖面瞬态计算求解：完成动态仿真分析

4.2 模型简化与假设

由于高低温性能仿真计算通常在方案论证阶段开展，部分输入条件及参数尚不明确，因此在仿真计算时会对计算条件作出合理的简化或假设，包括但不限于：

1）传热介质简化：在某个油箱的燃油消耗完后，气相空间中仅考虑空气或者一定浓度的油气，不考虑油气浓度的变化。

2）油箱独立性简化：各油箱隔舱之间视为独立，不考虑实际耗油过程中可能发生的介质交换（如燃油、水分等）。

3）外部影响简化：不考虑太阳辐射影响，螺旋桨局部气流对机翼上下部的影响，气动外形的影响。

4.3 仿真校核流程

燃油系统仿真的建模校核流程充分参照了校核、验证和确认（Verification, Validation and Accreditation, VV&A）的流程。该流程来源于1991年美国国防部根据系统仿真提出的一套模型校核、验证和确认的相互独立而又相互联系的规范。

VV&A流程主要包括以下几个步骤：

确定VV&A需求
制定VV&A计划
概念模型V&V
设计校核
仿真实现V&V
仿真结果验证、确认

4.4 动态分析技术

对于仿真过程和结果，燃油系统仿真采用了动态分析技术，该技术是指对执行的模型和运行行为进行评估，在执行的模型中插入“探测器”以收集模型行为。主要包括：

1）图形比较：通过比较不同数据源的时域图形，检查曲线在变化周期、曲率、数值、趋势等方面的相似程度，对仿真结果进行定性分析。

2）运行测试：通过Flowmaster提供的Gauge测试模块检查系统仿真的性能指标。

3）比较测试：对多个仿真系统进行测试，对具有相同输入的模型和仿真进行比较，比较彼此的输出，分析出结果的误差；同时对具有相同功能和输入参数的仿真模型和试验台以及试飞数据进行对比，来验证仿真的可行性和真实性。

PART.05高低温性能仿真计算与结果分析

5.1 低温环境计算结果分析

分别将低温环境下各计算工况参数设置载入用Flowmaster搭建的燃油系统模型中。

（1）低温典型工况一：全金属油箱

工况条件：金属油箱，地面环境温度−40℃，燃油牌号RP-3，燃油初始温度−40℃，满油。

对于满油航程，4号油箱燃油最先耗完，3号油箱消耗150 kg。全金属油箱燃油温度的变化范围为−58℃ ~ −36℃。其中：1、2、3号油箱燃油温度的变化范围为−45℃ ~ −40℃；4号油箱变化范围为−58℃ ~ −36℃；4号油箱在燃油消耗过程中温度变化较大，燃油耗完后温度和附面层（即环境温度）保持一致。

（2）低温典型工况二：外翼复材油箱

工况条件：复材油箱（外翼），地面环境温度−40℃，燃油牌号RP-3，燃油初始温度−40℃，满油。

工况二中1、2号油箱为金属油箱，3、4号为复材油箱。对于满油航程，4号油箱耗完，3号油箱消耗150 kg。燃油温度的变化范围为−52.5℃ ~ −40℃。其中：1、2号油箱燃油温度的变化范围为−43℃ ~ −40℃；3号油箱为−45℃ ~ −40℃；4号油箱为−52.5℃ ~ −40℃。

由于外翼油箱采用复材结构，4号油箱在燃油消耗过程中温度变化范围较小，燃油消耗完后才逐渐趋近于附面层温度（即环境温度）。

（3）低温工况对比分析

对比两种低温典型工况可以看出：

全金属油箱（工况一）的燃油温度最低可达−58℃，温降幅度更大；
外翼复材油箱（工况二）的最低温度为−52.5℃，温变范围相对较小；
金属材质导热系数高，散热更快；复材导热系数低，具有一定的保温效果；
4号油箱（最外侧）受环境温度影响最为显著，温度变化幅度最大。

5.2 高温环境计算结果分析

分别将高温环境下各计算工况参数设置载入用Flowmaster搭建的燃油系统模型中。

（1）高温典型工况一：全金属油箱

工况条件：金属油箱，地面环境温度55℃，燃油牌号RP-3，燃油初始温度45℃，78 min航程载油量。

在78 min的航程中，2号油箱耗完，1号油箱消耗200 kg，3、4号油箱在整个飞行阶段保持空油。全金属油箱燃油温度的变化范围为5℃ ~ 55℃。其中：1、2号油箱燃油温度的变化范围为23℃ ~ 55℃；3、4号油箱没油，起飞后温度变化基本和附面层（即环境温度）保持一致，温度变化范围为5℃ ~ 55℃。

（2）高温典型工况二：外翼复材油箱

工况条件：复材油箱（外翼），地面环境温度55℃，燃油牌号RP-3，燃油初始温度45℃，78 min载油量。

工况二中1、2号油箱为金属油箱，3、4号为复材油箱。对于78 min的航程，2号油箱耗完，1号油箱消耗200 kg，3、4号油箱在整个飞行阶段保持空油。燃油温度的变化范围为5℃ ~ 55℃。其中：1、2号油箱燃油温度的变化范围为23℃ ~ 55℃；3、4号油箱没油，起飞后温度变化基本和附面层（即环境温度）保持一致，变化范围为5℃ ~ 55℃。

（3）高温工况对比分析

高温环境下两种工况的对比表明：

全金属油箱与复材油箱在有燃油的情况下温变规律相似；空油状态下，油箱温度快速趋近于环境温度（附面层温度）；燃油的存在起到了热缓冲作用，延缓了油箱温度的快速变化；高温环境下燃油温度最高可达55℃，与地面环境温度一致。

5.3 综合规律分析

通过对全部32个计算工况的系统分析，根据计算结果可得出以下规律：

1）材质影响：金属油箱比复材油箱散热快。金属的高导热系数使其对温度变化更为敏感，而复合材料导热系数低，具有一定的隔热效果。

2）油量影响：燃油量少的油箱散热快。燃油的热容较大，油量越少，热惯性越小，温度变化速率越快。

3）温差影响：燃油和环境温度温差大的油箱散热快。换热驱动力（温差）越大，热流密度越高，温度变化越剧烈。

4）位置影响：位于机翼外侧的油箱（4号油箱）受环境温度影响最为显著，温度变化幅度最大。

5.4 适航符合性评价

通过全部计算工况的动态仿真分析，可以确定当前燃油系统方案可以满足预期的功能性能要求，具体而言：

低温环境下，燃油温度虽可降至−58℃，但仍在燃油可用温度范围内，未出现凝固或流动性丧失的风险；