一种基于拓扑优化的飞机热力网络优化方法与流程

本发明涉及热力系统，具体涉及一种基于拓扑优化的飞机热力网络优化方法。。

背景技术：

1、飞机热力网络可以实现飞机上各系统之间的温度控制，包括发动机、电子设备等关键部件的冷却以及座舱的环境调节，并可以实现热量利用，包括发动机产生的废热的有效回收。在防止高温对部件造成的损坏、延长设备使用寿命、保障飞行安全、提高能源效率等方面具有重要作用。

2、目前的热力网络设计没有综合全部件连接的设计方法，也无法统筹整个热力网络的热力资源并从流量、热沉、压力的角度进行优化设计，仅局限于单一部件、单一系统功能实现的目标开展系统设计。

3、目前采用拓扑优化的方式进行系统级的设计已经有了一定的研究基础。如cn118761278a公开了一种飞行器相变式热防护系统构型的设计方法，先利用拓扑优化方法结合稳态热传导的有限元分析求解构型，使用变密度法和赋予单元伪密度的方式构建异形设计区域并进行区域的离散处理；然后根据实际工况引入各向异性材料并进行有限元模型的初始化处理；最后利用得到的信息建立并计算优化数学模型，在mma优化算法迭代下得到最终的构型。cn114880798a公开了一种基于simp的功率器件散热结构拓扑设计方法和系统，包括：获取设计对象的设计区域，对设计区域进行网格划分；获取设计变量及其初始值、设计参数和约束条件，基于simp建立导热材料数学模型；基于上述模型建立设计对象的单元导热矩阵和整体导热矩阵；基于上述矩阵建立散热结构拓扑设计模型；计算目标函数的灵敏度，分析设计变量的灵敏度；基于目标函数和设计变量的灵敏度计算目标函数；在目标函数符合收敛条件时得到设计对象的最优拓扑结构。

4、然而，目前尚没有采用拓扑优化对飞机热力网络进行优化的研究。飞机上的热力网络结构复杂，并且要适应飞机自身的特点和特殊的要求。在面对复杂热力网络系统时，子系统连接形成完整系统的过程中的存在过设计的情况、连接耗时过长、低效，虽然能够最大限度的满足苛刻工况要求，系统设计安全性较好，但热沉利用的充分性以及温度、温度等方面缺少整体的优化设计，使得热力网络系统的部件连接排布难于最优，且连接后的热沉、压力、流量等性能较差，导致热力网络系统有限的热沉资源利用不充分或子系统之间的换热器的换热功率、传输效率低下、设计不合理，增加系统重量负担

技术实现思路

1、为解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种基于拓扑优化的飞机热力网络优化方法，包括以下步骤：

2、步骤1：设定飞机热力网络的各子系统，以及各子系统的组成部件和部件连接约束条件；所述子系统至少包括冲压空气子系统、环控子系统、燃油循环子系统、液冷循环子系统和液氮循环子系统；

3、步骤2：基于图论方法，结合枚举法与网络结构约束，生成满足所述部件连接约束条件的热力网络系统有效拓扑架构；

4、步骤3：将所述拓扑架构中的各节点与所述热力网络中的各部件一一对应，建立热力学模型，并根据所述拓扑架构确定各节点之间的输入和输出关系；

5、步骤4：运行优化算法，针对各所述子系统在不同飞行阶段的流量，分阶段对所述飞机热力网络的运行状态进行优化，并以包含热沉利用率的多参数加权目标函数作为优化依据；

6、步骤5：根据优化结果确定最优拓扑架构，并按照预设连接规则对不同子系统中的换热器进行连接，生成飞机热力网络多系统连接架构。

7、优选的是，所述步骤1中，各子系统的组成部件具体包括：

8、所述冲压空气子系统的部件包括换热器（hex）和风扇（fan）；

9、所述环控子系统的部件包括涡轮（tur）、压气机（acp）、换热器（hex）和压力调节阀；

10、所述燃油循环子系统的部件包括油箱（ftnk）、换热器（hex）、回油点（erfp）、进油点（efip）和燃油循环子系统压力泵（fpmp）；

11、所述液冷循环子系统的部件包括油箱（ptnk）、液冷循环子系统压力泵（ppmp）和换热器（hex）；

12、所述液氮循环子系统的部件包括液氮入口（nso）、换热器（hex）和液氮出口（nsi）。

13、优选的是，所述步骤2具体包括：

14、采用路径图枚举法生成基础拓扑结构，并结合不相交子图的子图间连接方法扩展连接可能性；

15、所述网络结构约束包括直接连接网络结构约束、线连接网络结构约束和中间部件网络结构约束；

16、根据所述部件连接约束条件对各节点的输出情况进行筛选，剔除无效拓扑结构，保留所述有效拓扑架构。

17、优选的是，所述步骤3中，建立热力学模型具体包括：

18、采用matlab搭建部件模型，基于能量守恒原理，在部件间传输温度、压力及流量数据；

19、以压力调节阀为例，设定压力缓冲定值，当输入压力超过所述定值时，输出压力为所述既定值，否则输出压力等于输入压力。

20、优选的是，所述步骤4中，所述飞行阶段至少包括滑行阶段、起飞阶段、爬升阶段、平飞阶段、下降阶段和着陆阶段；

21、各子系统对应的优化流量包括：冲压空气子系统的气体流量、环控子系统的发动机引气流量、燃油循环子系统的燃油流量、液冷循环子系统的冷却介质流量以及液氮循环子系统的液氮流量。

22、优选的是，所述步骤4中，所述优化算法包括粒子群算法、遗传算法、微分进化算法或模拟退火算法中的一种或多种组合。

23、优选的是，所述步骤4中，所述多参数加权目标函数表达式为：

24、；

25、式中：为总目标函数值，为飞机温度部分的目标函数值，权重为10；为飞机引气量部分的目标函数值，权重为10；为飞机热沉利用率部分的目标函数值，权重为100；为飞机重量部分的目标函数值，权重为1；为飞机能耗部分的目标函数值，权重为0.01

26、优选的是，所述步骤5中，生成的多系统连接架构具体包括：

27、冲压空气子系统通过换热器分别与燃油循环子系统和环控子系统连接，且冲压空气子系统配置有三组并联结构；

28、燃油循环子系统内部通过三通阀、燃油泵及换热器形成多个环形连接回路，分别接入发动机热载荷、发电机及液压系统；

29、液冷循环子系统通过环形回路连接雷达负载，并通过换热器分别与燃油循环子系统和环控子系统耦合；

30、环控子系统通过管路连接发动机引气口，并通过换热器与液氮循环子系统耦合；

31、液氮循环子系统通过换热器与环控子系统进行热交换。

32、优选的是，所述冲压空气子系统的三组并联结构具体为：

33、第一冲压空气入口经第一换热器连接至环控子系统的第七换热器；

34、第二冲压空气入口经第二换热器连接至燃油循环子系统的第十二换热器；

35、第三冲压空气入口经第三换热器连接至燃油循环子系统的第十一换热器；

36、其中，各路冲压空气出口均经由风扇回流至对应的换热器。

37、优选的是，所述液冷循环子系统的环形回路具体为：第五换热器、雷达、液冷循环子系统压力泵、液冷循环子系统油箱和第六换热器依次环形连接；所述第六换热器与环控子系统的第九换热器相互连接，所述第五换热器与燃油循环子系统的第十换热器相互连接。

38、本发明用枚举方法自动生成热力网络系统的有效拓扑架构，构成热力网络模型，以部件之间的最优连接情况为目标，以热沉利用率等为目标函数，通过使用智能优化算法优化流量，实现整个热力网络系统的节点和模型的对应以及节点输出关系的对应，最后优化运行状态并连接不同部件的换热器，生成最优的连接情况拓扑图。本方法可避免基于经验的传统设计方法产生的问题，支撑高效、复杂、低代偿的热力网络系统设计，提升设计效率。