本发明涉及航空发动机综合热管理领域，特别涉及一种tbcc热管理系统空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用方法。
背景技术：
1、目前，tbcc飞行器上可用的冷源主要包括涵道空气、燃油、液氮等。发动机在不同工作模态下工作原理不同决定了其热负载不同，因此如何匹配合适的冷源，并进行调控显得尤为重要。通常来说，冲压空气源于飞机飞行时的外部大气，然后通过加压送到飞机各个热端部件，对其进行冷却。从冷源来源的角度来说，冲压空气是丰富且取之不尽的，而且化学性能稳定。但是，单位质量空气的制冷能力较低，而且换热系数较小，也使得空气作为冷源不具备拥有瞬时冷却大制冷量需求部件的能力。因此，涵道空气一般是用于瞬时制冷量需求不大的场合。
2、燃油不但是整个飞行器的动力之源，也可以作为热沉来冷却飞行器上的热部件。尽管燃油化学性能不如空气稳定，且允许的温度控制范围也不如空气宽泛，但其作为冷源具有单位质量制冷量大、对流换热系数大等优点。而且燃油冷却回路是一个开环回路，即燃油在对一系列子系统及热部件进行散热之后，进入发动机直接燃烧，不会将这部分热量直接排放到环境，这对飞机红外隐身是非常有利的。因此，近些年燃油被看作是一种非常有优势的冷源，广泛应用于飞机热部件的冷却，而如何对燃油进行分配和调控成为燃油热管理系统的关键。
3、此外，在某些出现瞬时大热负荷的场合，燃油热沉和空气热沉由于自身热物性特征，已经无法满足发动机舱冷却需求，这时候需要借助一些特殊性质的冷源来冷却发动机舱，比如采用液氮来冷却发动机舱，以到达快速调控发动机舱温度的目的。
4、本发明主要针对一种涡轮基组合循环发动机(turbine based combined cycle,tbcc)飞行器机载多品质热沉的基本热物性及热管理系统散热需求，探究空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用方法，以合理使用机载冷源。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种tbcc热管理系统空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用方法，实现对航空发动机多品质热沉的优化和梯级利用，以合理使用机载冷源。
2、本发明的目的通过以下技术方案实现：
3、一种tbcc热管理系统空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
4、步骤1：根据tbcc热管理系统不同机载热沉的热力学特性和温度特征，构建机载多品质热沉散热特性分析模型；
5、tbcc热管理系统空气热沉来自外涵道空气引气，是风扇舱压缩后进入外涵道的空气，引入空气散热特性关系式为：
6、；
7、其中，表示热端部件热负荷，表示引入空气吸热后的温度，表示外涵道空气总温，表示引入空气比热容；
8、根据风扇舱增压特性曲线，风扇舱出口总温，即外涵道空气总温表示为：
9、；
10、式中，为风扇压比，为风扇效率，表示当地空气的总温，即满足以下关系式：；
11、；
12、其中，表示飞行器飞行海拔高度，表示海拔高度为时的来流静温，k表示空气的绝热指数，取 k=1.4；tbcc热管理系统中空气热沉流量与引气结构相关，因此对不同飞行器其引气量也存在较大差异；
13、燃油散热特性由燃油温度和燃油油箱储量来确定；在采用燃油作为热沉来散热时，考虑燃油高温下的结焦特性，燃油温度超过时，就存在结焦风险，此时燃油不能作为热沉来冷却热端部件；燃油热沉散热温度满足以下公式:
14、；
15、其中，表示热端部件热负荷，和分别表示燃油质量流量和比热容，表示燃油的初始温度；
16、液氮散热特性由液氮温度和液氮储量来确定；液氮吸热过程中会出现气化相变现象，其吸热过程存在潜热和显热两部分，热沉容量大；液氮在整个吸热过程中不存在结焦问题，升温上限不受自身物理化学特性限制；液氮热沉散热温度满足以下公式:
17、；
18、其中，、和分别表示液氮质量流量、液氮比热容及氮气比热容，表示液氮初始温度，表示氮的液化温度，标准大气压下为77k，表示液氮气化潜热；
19、步骤2：依据多品质热沉散热特性及机载冷源储量情况，明确tbcc全任务包线下空气/燃油/液氮三种热沉协同作用逻辑框架；tbcc飞行器在低ma数飞行时，来流空气温度低，优先采用空气热沉来给热端部件散热，减少对机载燃油和液氮热沉的消耗；当飞行ma数增加，空气温度随之上升，此时空气热沉已经无法满足散热需求，考虑采用燃油和液氮来冷却；在采用燃油热沉来进行散热时也面临燃油流量上限问题，过多采用燃油热沉冷却热端部件，则增加热回油量，不利于飞行器防火安全性问题；由此可得，空气热沉优先使用，其次燃油热沉有条件使用，最后是液氮热沉使用；
20、步骤3：以合理利用tbcc热管理系统机载有限热沉为目标，基于多目标优化方法构建tbcc热管理系统空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用模型，获得pareto解集，并采用linmap方法通过权重和线性规划技术的结合，最终确认机载热沉梯级利用方法，优化tbcc热管理系统多品质热沉的使用。
21、进一步，步骤1中，分析空气/燃油/液氮多品质热沉的散热特性，包括不同热沉热物性、不同热沉的化学稳定性。 燃油热沉散热温度不超过结焦温度。
22、步骤3中，采用多目标优化算法解决多品质热沉梯级优化利用问题，具体地通过借助遗传算法中选择、交叉和变异来搜索最优解的近似集合，获得pareto解集，再采用linmap方法通过权重和线性规划技术的结合，同时考虑散热量需求和多品质热沉梯级利逻辑框架，通过调整权重，平衡两个目标的重要性，从而找到最优的多品质热沉梯级利用方法。
23、通常机载空气热沉需要根据飞行器飞行状态和引气结构特性来确定，当飞行器飞行工况确定时空气热沉散热特性是比较明确；燃油作为机载燃料，其散热能力与燃油温度、燃油热物性以及机载储量密切相关；液氮作为机载消耗性热沉，一般只在极端热负荷需求下使用，且储量非常有限，通常需要谨慎使用。本发明首先根据tbcc热管理系统不同机载热沉的热力学特性和温度特征，构建机载多品质热沉散热特性分析模型，研究在某飞行包线下各种热沉单独作用情况；然后，依据多品质热沉散热特性及机载热沉储量情况，明确飞行器全任务包线下空气/燃油/液氮三种热沉协同作用逻辑框架；最后，以尽可能合理利用tbcc热管理系统机载有限热沉为目标，基于多目标优化方法构建tbcc热管理系统空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用模型，获得pareto解集，并采用linmap方法通过权重和线性规划技术的结合，最终确认机载热沉梯级利用方案，优化tbcc热管理系统多品质热沉的使用。
24、本发明与现有技术相比，具有以下优点：
25、（1）本发明在分析空气/燃油/液氮三种热沉协同作用逻辑框架时，不仅考虑到散热量需求影响，还考虑了不同品质热沉自身物理化学特性，明确了合理的空气/燃油/液氮三种热沉协同作用逻辑框架；
26、（2）本发明采用多目标优化方法获得空气/燃油/液氮三种热沉协同作用下的pareto解集，并通过linmap决策确定优化多品质热沉梯级利用方案。本发明为热管理系统多品质热沉合理优化利用提供了一种新的方法和思路。
1.一种tbcc热管理系统空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种tbcc热管理系统空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用方法，其特征在于，步骤1中，分析空气/燃油/液氮多品质热沉的散热特性，包括不同热沉热物性、不同热沉的化学稳定性。
3.根据权利要求2所述的一种tbcc热管理系统空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用方法，其特征在于，燃油热沉散热温度不超过结焦温度。
4.根据权利要求1所述的一种tbcc热管理系统空气/燃油/液氮多品质热沉梯级利用方法，其特征在于，步骤3中，采用多目标优化算法解决多品质热沉梯级优化利用问题，具体地通过借助遗传算法中选择、交叉和变异来搜索最优解的近似集合，获得pareto解集，再采用linmap方法通过权重和线性规划技术的结合，同时考虑散热量需求和多品质热沉梯级利逻辑框架，通过调整权重，平衡两个目标的重要性，从而找到最优的多品质热沉梯级利用方法。
