“工程技术”专栏
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本文撰稿人介绍
刘建 副教授
中南大学
瑞典隆德大学博士及博士后，中南大学航空航天技术研究院副教授。长期从事涡轮叶片冷却、超燃冲压发动机再生冷却、超声速流动燃烧计算等研究工作。目前已发表SCI期刊论文80余篇，英文著作3部，中文专著1部，国际会议特邀报告2次，获得Aerospace 期刊“2023 Young Investigator Award”(每年评选1人)。3篇论文入选ESI高被引用论文，Scopus总被引用2300余次，h-index 26。主持装备预研、国防科工局支撑项目、湖南省揭榜挂帅项目、湖南省自然科学基金等项目10余项。担任Aerospace、Energies、Foundations 等国际期刊编委；担任IJHMT、ATE、IJTS 等十余个国际期刊审稿人。
编委鉴赏
在全球航空业加速迈向零碳转型的背景下，液氢凭借零碳排放、高质量能量密度的特性，被视为下一代民用飞机的核心技术路径之一。但其深冷存储与相变换热特性彻底打破了传统航油飞机的设计体系，行业亟需系统级的初步设计方法与高精度组件模型支撑方案快速迭代。
这篇文章的核心价值在于，它以面向早期设计的模型化系统工程 (MBSE/MDAO) 思路，把换热器从需求捕获、型式选择、分段离散到尺寸与性能评估的全流程串成参数化模型，填补了氢燃料分配系统中换热器精细化快速建模的研究空白。作者将物理方程与双重验证的经验关联式相结合，耦合 CoolProp 物性库与受约束多目标优化，支撑 7.6 MW 氢燃料电池飞机四台换热器的协同选型与重量、压降、起始压力的权衡。这种“精度与速度兼顾、组件与系统联动”的方法，为氢动力飞机的方案论证与初步设计提供了工程参考，也为整机热管理集成与安全评估奠定了模型基础。
文章导读
航空业正致力于在 2050 年前实现净零碳排放，氢动力成为最具潜力的技术路径之一。然而氢必须以低温液氢形式储存，燃料电池工作时又会排出大量热量，功率电子与高功率电机同样需要主动冷却。作为热管理系统的关键部件，换热器占据可观的空间与重量，必须在设计早期就加以考虑；而低温流体物性随温度和压力剧烈变化，传统的定常物性方法不再适用。针对这一空白，Sagala 与 Liscouët-Hanke 提出一种面向早期设计、可在 MDAO 框架下运行的低温换热器参数化尺寸建模方法，为氢动力飞机热管理系统设计提供了关键支撑。
研究材料与方法
本文面向氢动力飞机中的低温换热器，提出一套可嵌入 MDAO 框架的参数化尺寸建模流程 (图1)，分为 5 个核心步骤：
需求捕获与型式选择：从推进系统、储氢系统与功率电子等接口提取热负荷、流量与进出口温度、压力等需求，以波纹板式换热器 (CPHE) 为基准、板翅式 (PFHE) 为替代，默认逆流布置。
流动构型与范围界定：确定顺流、逆流或叉流等流动构型，并明确两侧介质、压力、期望压降与流量等流动范围参数。
物性离散化处理：针对低温流体在临界点附近物性随温度、压力剧烈变化的特点，将换热器沿流向分段，逐段取局部有效的热物性 (由 CoolProp 库计算)，避免“取平均物性”带来的误差。
尺寸计算与几何评估：综合对数平均温差 (LMTD) 与效能—传热单元数 (ε-NTU) 两种方法修正物性变化，结合 Colburn 因子与 Fanning 摩擦因子经验关联式，计算尺寸、重量与压力损失。
受约束优化与解选取：将尺寸设计构建为受约束的多目标优化问题，采用加权和法在帕累托解集中选取最终解，便于与飞机级 MDAO 工具交互。
图1. 研究所提出的换热器尺寸设计流程总览。
研究结果与讨论
结论一：双重验证表明方法在常规与低温工况下均能可靠收敛
方法经两个案例验证。其一选用商用 Bell & Gossett BP400-40 波纹板式换热器，通过 2160 个设计点确认方法能将解定位在设计空间内；其二针对 2 K 低温氦气、5–12.5 g/s 流量下的穿孔板翅式换热器，与文献采用分布式参数法与 NSGA-II 的基准结果对比 (图2)，性能指标误差低于 6.7%，压降预测误差约 7.5%。这支撑了该方法在常规与低温两种工况下均具良好精度，说明其可作为氢动力飞机早期设计的可信评估工具。
图2. 低温穿孔板翅式换热器验证结果及与 Zhu 等文献的帕累托前沿趋势对比。
结论二：7.6 MW 氢燃料电池飞机案例实现四台换热器协同设计
案例面向一台 7.6 MW 的全电动氢燃料电池飞机，采用质子交换膜燃料电池 (PEMFC)、高温超导电缆 (HTSC)、DC/AC 变换器与超导电机 (SCM)，考虑部件效率与反应损失后总氢能约 21.6 MW。液氢从 20 K 储罐出发，依次流经 SCM/HTSC、DC/AC 变换器与燃料电池等换热器，被逐级加热至358 K (图3)。该方法在同一框架下协同设计四台换热器，涵盖超导电机/超导电缆、DC/AC 变换器及两台燃料电池换热器，这支撑了该方法面向整机热管理系统的适用性，说明其能在统一框架内完成多台换热器的协同选型与尺寸设计。
图3. 氢的加热路径及关键部件温度。
结论三：多目标寻优实现重量、压降与起始压力的良好折中
优化以系统重量、氦侧入口压力与氢侧压降为三个目标，采用拉丁超立方抽样初始化 (480个个体) 并逐代寻优 (图4)。最终通过伪权重向量法选取的设计点总重量仅 6.6 kg、总压降 338.9 kPa、起始压力 13.7 bar，体现了重量与压力损失之间的良好折中，这支撑了早期设计阶段在重量与压力损失之间的快速权衡决策，为换热器构型与尺寸选型提供了量化依据。
图4. 案例研究的尺寸设计结果：压力损失、重量与系统入口压力的目标空间。
结论四：忽略压降会高估冷却能力约10%
对燃料加热路径的分析揭示：若忽略压力损失，将高估液氢的冷却潜力。图5对比了理想换热器 (无压降、理想膨胀) 与考虑压降及单级膨胀的加热路径。结果显示，压力损失使冷却能力减少约 60 kW，单级膨胀再减少约 38 kW，累计约 100 kW，这支撑了“早期设计必须计入压降”的建模要求——理想化假设可能将系统冷却能力高估至多 10%，让本不可行的热管理架构流入后续设计阶段。
图5. 案例研究燃料加热路径对比：理想膨胀 (有/无压降) 与考虑压降的单级膨胀。
研究总结
本文提出一种面向早期飞机设计的低温换热器参数化尺寸建模方法，通过分段离散刻画低温流体的物性非线性变化，将物理方程、经验关联式与受约束优化整合进 MDAO 框架。方法经商用与低温板翅式换热器双重验证，误差控制在 7% 以内；7.6 MW 氢燃料电池飞机案例演示了四台换热器协同设计与多目标寻优流程，并揭示忽略压降会高估冷却潜力约 10% 的规律。该成果为氢动力飞机热管理系统早期设计提供了可靠工具，后续将拓展至更丰富的燃料与构型，并集成至整机热管理设计框架。
阅读原文：https://www.mdpi.com/2226-4310/13/2/142
Aerospace 期刊介绍
主编：Prof. Dr. Konstantinos Kontis, University of Glasgow, UK
期刊致力于发表航空航天科学、工程和技术相关的创新研究，涵盖飞行器设计、推进系统、飞行控制、先进材料、空间科学、航空电子、无人机系统 (UAS)、城市空中交通 (UAM)、可持续航空、航空安全以及前沿技术等。鼓励跨学科研究，推动航空航天科技发展，欢迎实验、仿真与理论研究的原创成果及综述。
2025 Impact Factor：2.5
2025 CiteScore：4.8
Time to First Decision：18.5 Days
Acceptance to Publication：2.7 Days
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/aerospace
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