无人机综合热管理系统建模与仿真

摘要

近年来无人机在民用和军用领域都得到了较大发展，无人机在军用领域正在逐步取代有人机的作战任务。军用无人机由于机体尺寸受限、飞行包线宽以及高速隐身发展等特点，使得其各个子系统不仅面临热问题也有可能面临冷问题，各子系统如果独立运行会造成能量的重复和浪费，因此无人机综合热管理系统具有研究价值。
　　本文根据某型无人机的散热需求设计了低负载和高负载工况共三套热管理方案：为无人机低负载工况设计了整合燃油系统、液冷系统和通风系统的综合热管理方案；为高负载工况设计了两套整合蒸发循环系统、燃油系统、液冷系统和通风系统的综合热管理方案。研究各方案在飞行包线下的扰动特性和控制特性，为无人机综合热管理系统的设计、验证和控制研究提供仿真平台。建立湿空气、燃油JEP-8、制冷剂R134a、乙二醇水溶液和液态水的热物性数学模型以及无人机综合热管理系统主要部件的数学模型：燃油箱、单相液/液换热器、单相空/液换热器、采用了集总参数法建立瞬态模型；蒸发器、冷凝器采用了移动边界法建立两区动态模型和三区动态模型；压缩机、膨胀阀、泵、风机等采用集总参数法建立稳态模型。建立好部件的数学模型后运用MATLAB/SIMULINK平台搭建部件的仿真模型并对部件模型进行封装，对于主要的部件一部分采用文献中的实验数据验证准确性，另一部分部件与知名一维流体计算软件FLOWMASTER的计算结果进行对比分析。根据设计的无人机低负载和高负载热管理方案原理图和建立的部件模型库搭建仿真系统模型，在热极限工况下进行全飞行包线扰动和控制特性仿真分析，采用PID控制使得系统参数满足设计要求。

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注释表

第一章 绪论

1.1选题背景

1.2机载综合热管理系统发展概况

1.3本文主要工作

第二章 系统方案设计和工质物性

2.1某型无人机综合热管理系统简述

2.2工质物性数学模型

2.3本章小结

第三章 系统部件数学模型

3.1 燃油箱数学模型

3.2单相换热器和管道数学模型

3.3 相变换热器数学模型

3.4 稳态部件数学模型

3.5本章小结

第四章 系统部件模型库的搭建与验证

4.1 燃油箱MATLAB计算模型

4.2 单相换热器的MATLAB计算模型

4.3 蒸发循环系统MATLAB计算模型

4.4管道MATLAB计算模型

4.5 泵和风机MATLAB计算模型

4.6本章小结

第五章 系统扰动和控制特性研究

5.1 低负载热管理方案开环特性研究

5.2 低负载热管理方案扰动特性和控制特性研究

5.3 高负载热管理方案控制特性研究

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录 A 低负载热管理系统MATLAB模型全图

附录 B 高负载热管理方案一MATLAB模型图

B.1 高负载方案一MATLAB模型全图

B.2 高负载方案一蒸发循环系统和新增电子舱液冷系统MATLAB模型图

B.3 高负载方案一燃油系统、液冷系统和通风系统MATLAB模型图

附录 C 高负载热管理方案二MATLAB模型图

C.1高负载方案二MATLAB模型全图

C.2高负载方案二蒸发循环系统、新增电子舱液冷系统和通风系统MATLAB模型图

C.3高负载方案二燃油系统和液冷系统MATLAB模型图