基于兩節(jié)點(diǎn)熱力學(xué)模型,研究多層節(jié)點(diǎn)模型的平流層浮空器熱特性分析方法.對美國國家航空航天局的超長航時氣球的仿真結(jié)果表明:多層節(jié)點(diǎn)模型可給出囊體不同部位的溫度分布及氦氣溫度隨時間的變化規(guī)律;高空氣球囊體頂部和底部的晝夜溫差明顯小于平流層飛艇內(nèi)氦氣的晝夜溫差;高緯度飛行時的氦氣溫差更小,降低駐空高度可降低氦氣溫度.研究結(jié)果對平流層浮空器熱控設(shè)計(jì)具有重要的參考價值. 

【文章來源】：上海交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2020,54(07)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

平流層浮空器熱環(huán)境

基于分層模型的熱力學(xué)分析方法,其本質(zhì)是考慮浮空器不同部分傳熱方式的影響程度對實(shí)際溫度分布的影響.下面研究分層數(shù)量對于熱力學(xué)分析的影響.分層數(shù)量M為2、10、20、40時氦氣溫度的計(jì)算結(jié)果如圖3所示.由圖3可知,隨著分層數(shù)量的增加,計(jì)算得到的氦氣溫度有所增加,且逐漸收斂.對于2層模型,此時與雙節(jié)點(diǎn)模型類似,計(jì)算得到的氦氣溫度在全時段內(nèi)均低于多層數(shù)模型.2層模型的氦氣最高溫度為255 K,而40層模型的氦氣最高溫度為267 K,溫差達(dá)到13 K.因此,多層節(jié)點(diǎn)模型的節(jié)點(diǎn)劃分是計(jì)算精度的重要參數(shù).在平流層浮空器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用中,工作高度是一個非常重要的輸入條件.不同高度處的大氣密度差異不僅影響浮空器的浮力,還影響浮空器的熱交換環(huán)境,因此有必要分析平流層浮空器在不同駐空高度的熱特性.平流層浮空器在20 km、25 km及31 km駐空高度Hst上的氦氣溫度曲線如圖4所示.由圖4可知,駐空高度對于氦氣溫度有顯著影響.高度越高,外界環(huán)境溫度有所升高,且大氣密度的降低將降低對流換熱能力.相對于31 km處的氦氣溫度最高值(267 K),浮空器處于25 km和20 km時氦氣溫度的最高值分別降低為260 K和250 K.因此,降低駐空高度可在一定程度上降低氦氣溫度.

根據(jù)多層模型的熱力學(xué)模型,設(shè)置分層為40層,通過Runge-Kutta方法對熱力學(xué)模型的微分方程進(jìn)行求解,仿真計(jì)算獲得的浮空器內(nèi)氦氣平均溫度Tave、蒙皮頂部溫度T1、蒙皮底部溫度T2曲線如圖2所示.由圖2可知,氦氣的夜間溫度為222 K,白天最高溫度為267 K,晝夜溫差為45 K;在夜間,由于地面長波輻射的影響,底部蒙皮溫度為224 K,略高于頂部蒙皮的221 K,這與平流層飛艇的底部蒙皮和頂部蒙皮溫差表現(xiàn)有較大的差異.文獻(xiàn)[11]對平流層飛艇的熱特性分析指出,蒙皮上下表面的夜間溫度差達(dá)到了50 K,這主要是由于平流層飛艇蒙皮材料是采用多層復(fù)合柔性織物材料,其熱特性與高空氣球的多聚物材料有顯著區(qū)別.該結(jié)果也說明,在平流層浮空器總體設(shè)計(jì)中,應(yīng)綜合考慮浮空器搭載設(shè)計(jì)要求和熱特性帶來的超熱效應(yīng).在白天,蒙皮的最高溫度為274 K,蒙皮最大溫差為13 K,蒙皮溫差也明顯小于平流層飛艇的上下表面溫差.蒙皮及浮空器內(nèi)氦氣的全天溫度均高于外界環(huán)境溫度,白天氦氣溫度大于最底端的蒙皮溫度,但與底端蒙皮溫度更接近.由圖2可知,氦氣在夜間的平均溫度及頂部與底部蒙皮的溫度均保持不變,夜間穩(wěn)定溫度分別為232.2 K、224.3 K和243.5 K.這是因?yàn)樵谝雇硗饨绛h(huán)境溫度及熱輻射環(huán)境保持相對穩(wěn)定.基于分層模型的熱力學(xué)分析方法,其本質(zhì)是考慮浮空器不同部分傳熱方式的影響程度對實(shí)際溫度分布的影響.下面研究分層數(shù)量對于熱力學(xué)分析的影響.分層數(shù)量M為2、10、20、40時氦氣溫度的計(jì)算結(jié)果如圖3所示.由圖3可知,隨著分層數(shù)量的增加,計(jì)算得到的氦氣溫度有所增加,且逐漸收斂.對于2層模型,此時與雙節(jié)點(diǎn)模型類似,計(jì)算得到的氦氣溫度在全時段內(nèi)均低于多層數(shù)模型.2層模型的氦氣最高溫度為255 K,而40層模型的氦氣最高溫度為267 K,溫差達(dá)到13 K.因此,多層節(jié)點(diǎn)模型的節(jié)點(diǎn)劃分是計(jì)算精度的重要參數(shù).

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]太陽電池對平流層飛艇熱特性的影響分析[J]. 劉婷婷,麻震宇,楊希祥,張家實(shí).  宇航學(xué)報(bào). 2018(01)
[2]臨近空間飛艇新型推進(jìn)方式[J]. 宣彬彬,王曉亮,陳吉安,周平方,段登平.  上海交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2016(08)
[3]臨近空間飛艇內(nèi)部自然對流換熱計(jì)算研究[J]. 張賀磊,方賢德,戴秋敏.  宇航學(xué)報(bào). 2016(07)
[4]蒙皮熱輻射特性對平流層浮空器氦氣溫度影響[J]. 劉東旭,楊永強(qiáng),呂明云,武哲.  北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào). 2010(07)
[5]平流層浮空器的熱數(shù)值分析[J]. 徐向華,程雪濤,梁新剛.  清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2009(11)



本文編號：3231443