基于多層節(jié)點模型的平流層浮空器熱力學分析
發(fā)布時間：2021-06-15 17:00
基于兩節(jié)點熱力學模型,研究多層節(jié)點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果表明:多層節(jié)點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.研究結果對平流層浮空器熱控設計具有重要的參考價值.
【文章來源】：上海交通大學學報. 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分析方法,其本質是考慮浮空器不同部分傳熱方式的影響程度對實際溫度分布的影響.下面研究分層數(shù)量對于熱力學分析的影響.分層數(shù)量M為2、10、20、40時氦氣溫度的計算結果如圖3所示.由圖3可知,隨著分層數(shù)量的增加,計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)點模型類似,計算得到的氦氣溫度在全時段內均低于多層數(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,溫差達到13 K.因此,多層節(jié)點模型的節(jié)點劃分是計算精度的重要參數(shù).在平流層浮空器設計及其應用中,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)多層模型的熱力學模型,設置分層為40層,通過Runge-Kutta方法對熱力學模型的微分方程進行求解,仿真計算獲得的浮空器內氦氣平均溫度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[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.該結果也說明,在平流層浮空器總體設計中,應綜合考慮浮空器搭載設計要求和熱特性帶來的超熱效應.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.這是因為在夜晚外界環(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分析方法,其本質是考慮浮空器不同部分傳熱方式的影響程度對實際溫度分布的影響.下面研究分層數(shù)量對于熱力學分析的影響.分層數(shù)量M為2、10、20、40時氦氣溫度的計算結果如圖3所示.由圖3可知,隨著分層數(shù)量的增加,計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)點模型類似,計算得到的氦氣溫度在全時段內均低于多層數(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,溫差達到13 K.因此,多層節(jié)點模型的節(jié)點劃分是計算精度的重要參數(shù).
【參考文獻】：
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. 宇航學報. 2018(01)
[2]臨近空間飛艇新型推進方式[J]. 宣彬彬,王曉亮,陳吉安,周平方,段登平. 上海交通大學學報. 2016(08)
[3]臨近空間飛艇內部自然對流換熱計算研究[J]. 張賀磊,方賢德,戴秋敏. 宇航學報. 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,呂明云,武哲. 北京航空航天大學學報. 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. 清華大學學報(自然科學版). 2009(11)
本文編號：3231443
【文章來源】：上海交通大學學報. 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分析方法,其本質是考慮浮空器不同部分傳熱方式的影響程度對實際溫度分布的影響.下面研究分層數(shù)量對于熱力學分析的影響.分層數(shù)量M為2、10、20、40時氦氣溫度的計算結果如圖3所示.由圖3可知,隨著分層數(shù)量的增加,計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)點模型類似,計算得到的氦氣溫度在全時段內均低于多層數(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,溫差達到13 K.因此,多層節(jié)點模型的節(jié)點劃分是計算精度的重要參數(shù).在平流層浮空器設計及其應用中,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)多層模型的熱力學模型,設置分層為40層,通過Runge-Kutta方法對熱力學模型的微分方程進行求解,仿真計算獲得的浮空器內氦氣平均溫度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[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.該結果也說明,在平流層浮空器總體設計中,應綜合考慮浮空器搭載設計要求和熱特性帶來的超熱效應.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.這是因為在夜晚外界環(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分析方法,其本質是考慮浮空器不同部分傳熱方式的影響程度對實際溫度分布的影響.下面研究分層數(shù)量對于熱力學分析的影響.分層數(shù)量M為2、10、20、40時氦氣溫度的計算結果如圖3所示.由圖3可知,隨著分層數(shù)量的增加,計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)點模型類似,計算得到的氦氣溫度在全時段內均低于多層數(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,溫差達到13 K.因此,多層節(jié)點模型的節(jié)點劃分是計算精度的重要參數(shù).
【參考文獻】：
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. 宇航學報. 2018(01)
[2]臨近空間飛艇新型推進方式[J]. 宣彬彬,王曉亮,陳吉安,周平方,段登平. 上海交通大學學報. 2016(08)
[3]臨近空間飛艇內部自然對流換熱計算研究[J]. 張賀磊,方賢德,戴秋敏. 宇航學報. 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,呂明云,武哲. 北京航空航天大學學報. 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. 清華大學學報(自然科學版). 2009(11)
本文編號：3231443
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