燃油温差造成的油量测量精度误差研究

滕叶 李泽园 黎明中

中航通飞华南飞机工业有限公司 广东 珠海 519040

引言

当飞机在远程飞行后返回时，任何的剩余燃油通常比较冷，且主要位于集油箱及外隔舱的下部，为了完成后继飞行航段而加入的燃油是通常是相对温暖的，这些加入的温暖燃油将位于集油箱外部或较冷燃油的上部。在短暂的加油时间内，不同隔舱间、同一隔舱间上部与下部的燃油换热不够充分，温差比较大。而燃油的密度及介电常数属性是与温度密切相关的，这些差异会引起油量测量系统误差，造成飞机加油量不准确，任务早期阶段油量测量不准确等。

在飞机燃油测量方法中，最广泛地用于提供精确测量的方法是利用电容式测量技术。由于电容式传感器相对简单，且在相对恶劣的燃油箱环境中能够呈现出良好兼容性和长寿命，所以工业界普遍接受这种测量方法作为精确测量燃油量的手段[1]。

1 电容式油量测量系统测量精度

电容式测量的基本原理为利用空气与燃油在介电常数特性方面存在的差异进行测量。使用两个同心电极管构成电容器，当电容器浸在油内的高度发生变化时，电容值发生变化，由此可得到浸油高度，计算出油箱内燃油体积，并乘以通过直接测量或推算得到的密度值，最终计算出燃油质量。

当燃油温度变化时，采用补偿传感器对介电常数进行补偿，得到较准确的燃油体积。当燃油品质变化时，通过密度传感器，可得到较准确的密度。或通过密度推算法，使用温度或补偿传感器，通过温度或介电常数与密度的关系，推算燃油密度，准确度有限。

1.1 Ⅰ级精度油量测量系统

误差要求为不大于±4%指示燃油量±2%满油量。无补偿设计。代表飞机为小型飞机。

1.2 Ⅱ级精度油量测量系统

误差要求为不大于±2%指示燃油量±0.75%满油量。系统设计特征：采用密度推断法，由燃油的介电常数或温度推断，使用一个专用传感器测量介电常数或温度，其设计安装位置接近燃油箱的底部，以确保其持续完全浸在油内，通常不能测出任何的燃油层化影响，对水污染较敏感。代表飞机为支线运输机。

1.3 Ⅲ级精度油量测量系统

误差要求为不大于±1%指示燃油量±0.5%满油量。系统设计特征[2]：使用燃油属性测量装置FPMU，对加油时所加入燃油的介电常数、温度以及密度进行测量。然后将燃油参数映射到分布在所有燃油箱内的介电常数传感器（补偿传感器）和温度传感器，以提供整架飞机的较为完整和精确的燃油密度图。代表飞机为干线运输机。

2 模拟飞机加油

使用CFD软件模拟飞机地面加油时的燃油大温差现象，计算从加油开始到加油结束时的油箱内燃油的温度场变化。

飞机地面加油时，油箱内燃油量不断增多，同时温度场随时间变化，为非稳态问题。由于运输机机翼油箱通常为整体油箱，油箱内换热主要为封闭腔内的新加入的燃油与油箱壁之间及原剩余燃油之间的换热[3]。油箱外表面机翼蒙皮外表面与周围环境间存在自然对流换热，由于换热面积比较大，计算时不能忽略油箱外环境换热。通常加油出口速度较小（＜1m/s），油箱容积较大，新加燃油与油箱壁之间的强制对流作用较弱，研究发现在存在自然对流换热的封闭腔内，对流换热要弱于辐射换热的作用，也就是说辐射是影响封闭腔系统换热的更重要的因素计算误差。

2.1 计算模型

对于涉及气体和液体的两相流计算，不考虑燃油蒸发时，燃油扩散器内气相和液相不存在相融的现象，分界面明显，可采用VOF模型；加油时燃油出口处流动为湍流，但燃油在油箱隔舱间的流动主要为层流，计算时采用层流模型；油箱内辐射换热采用辐射模型。

由于季节、天气、加油时在一天中的时刻以及飞机停放的方位对油箱表面实际能接收到的太阳辐射有较大影响，同时加油时间不长，小于30min，故计算时不考虑太阳辐射对油箱温度的影响。

油箱加油入口通常为笛形管或燃油扩散器，计算时简化为圆形入口。

2.2 几何模型

以运输类飞机常见油箱构型作为计算对象进行研究，取飞机单个油箱进行计算，油箱通过半密封的结构肋板分为集油箱、外部隔舱及通气油箱。外部隔舱中通常还有非密封的结构肋板。油箱加油口位于外部隔舱底部[4]。为简化计算，在不影响油箱表面换热面积和燃油内部流通的情况下对油箱几何模型做了一定简化和调整。

机翼蒙皮、肋板等油箱结构所涂的漆层导热系数与结构金属导热系数差异很大，不可忽略。

2.3 网格划分

油箱结构为固体域，采用薄体网格模型。油箱内及油箱外环境为流体域，采用切割体网格模型。结构及加油口附近进行加密处理，油箱网格模型见图1。网格总数约150万。

图1 油箱网格划分

2.4 仿真计算

在完成一次任务飞行后，飞机上燃油剩余量为一次爬升、一次复飞加上45min巡航油量，再加上备份油量，可认为任务结束后集油箱仍处于满油状态，外隔舱为少量有油状态。

设置剩余燃油温度为-30℃，油箱结构为-30℃，新加入燃油为15℃，外部环境为0℃，外部风速0.1 m/s，加油入口速度为0.5m/s。固体域与流体域之间交界面设置接触热阻。

飞机总压力加油时间在15～40min之间，取加油时间为15min进行计算。

非稳态计算步长为0.05s，总时长为900s。

2.5 计算结果分析

图2 初始时刻油箱油量分布（t=0s）

图3 加油结束时刻油箱油量分布（t=900s）

图4 初始时刻油箱温度场（t=0s）

图5 加油结束时刻油箱温度场（t=900s）

从计算结果可看出，在加油结束时，集油箱内燃油温度变化较小，与外部隔舱间的燃油温度差异较大。

当直接测量新加入燃油的介电常数、温度以及密度，然后将燃油参数映射到分布在所有燃油箱内的补偿传感器和温度传感器时，误差大小与传感器所在位置相关，见表1。

表1 Ⅲ级精度油量测量误差计算

当采用密度推断法解算油量时，误差见表2。

表2 Ⅱ级精度油量测量误差计算

当不使用补偿设计时，Ⅰ级精度油量测量系统测得油箱油量为3379.6kg，实际油量为3496kg，误差达到3.3%。

通过仿真分析结果可得到以下结论：①燃油存在大温差对不同精度等级的油量测量系统误差影响均比较大，误差占比可达到系统误差上限的50%左右；②对于Ⅲ级精度油量测量系统，补偿/温度传感器的位置应远离加油口所在的隔舱。

3 结束语

本文以常见运输机油箱为例，对预期的运行条件下可能产生的燃油温差造成的油量测量精度误差进行了分析计算，为油量测量系统的设计提供了理论依据和参考。