基于多层节点模型的平流层浮空器热力学分析
发布时间：2021-06-15 17:00
基于两节点热力学模型,研究多层节点模型的平流层浮空器热特性分析方法.对美国国家航空航天局的超长航时气球的仿真结果表明:多层节点模型可给出囊体不同部位的温度分布及氦气温度随时间的变化规律;高空气球囊体顶部和底部的昼夜温差明显小于平流层飞艇内氦气的昼夜温差;高纬度飞行时的氦气温差更小,降低驻空高度可降低氦气温度.研究结果对平流层浮空器热控设计具有重要的参考价值.
【文章来源】：上海交通大学学报. 2020,54(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
平流层浮空器热环境
基于分层模型的热力学分析方法,其本质是考虑浮空器不同部分传热方式的影响程度对实际温度分布的影响.下面研究分层数量对于热力学分析的影响.分层数量M为2、10、20、40时氦气温度的计算结果如图3所示.由图3可知,随着分层数量的增加,计算得到的氦气温度有所增加,且逐渐收敛.对于2层模型,此时与双节点模型类似,计算得到的氦气温度在全时段内均低于多层数模型.2层模型的氦气最高温度为255 K,而40层模型的氦气最高温度为267 K,温差达到13 K.因此,多层节点模型的节点划分是计算精度的重要参数.在平流层浮空器设计及其应用中,工作高度是一个非常重要的输入条件.不同高度处的大气密度差异不仅影响浮空器的浮力,还影响浮空器的热交换环境,因此有必要分析平流层浮空器在不同驻空高度的热特性.平流层浮空器在20 km、25 km及31 km驻空高度Hst上的氦气温度曲线如图4所示.由图4可知,驻空高度对于氦气温度有显著影响.高度越高,外界环境温度有所升高,且大气密度的降低将降低对流换热能力.相对于31 km处的氦气温度最高值(267 K),浮空器处于25 km和20 km时氦气温度的最高值分别降低为260 K和250 K.因此,降低驻空高度可在一定程度上降低氦气温度.
根据多层模型的热力学模型,设置分层为40层,通过Runge-Kutta方法对热力学模型的微分方程进行求解,仿真计算获得的浮空器内氦气平均温度Tave、蒙皮顶部温度T1、蒙皮底部温度T2曲线如图2所示.由图2可知,氦气的夜间温度为222 K,白天最高温度为267 K,昼夜温差为45 K;在夜间,由于地面长波辐射的影响,底部蒙皮温度为224 K,略高于顶部蒙皮的221 K,这与平流层飞艇的底部蒙皮和顶部蒙皮温差表现有较大的差异.文献[11]对平流层飞艇的热特性分析指出,蒙皮上下表面的夜间温度差达到了50 K,这主要是由于平流层飞艇蒙皮材料是采用多层复合柔性织物材料,其热特性与高空气球的多聚物材料有显著区别.该结果也说明,在平流层浮空器总体设计中,应综合考虑浮空器搭载设计要求和热特性带来的超热效应.在白天,蒙皮的最高温度为274 K,蒙皮最大温差为13 K,蒙皮温差也明显小于平流层飞艇的上下表面温差.蒙皮及浮空器内氦气的全天温度均高于外界环境温度,白天氦气温度大于最底端的蒙皮温度,但与底端蒙皮温度更接近.由图2可知,氦气在夜间的平均温度及顶部与底部蒙皮的温度均保持不变,夜间稳定温度分别为232.2 K、224.3 K和243.5 K.这是因为在夜晚外界环境温度及热辐射环境保持相对稳定.基于分层模型的热力学分析方法,其本质是考虑浮空器不同部分传热方式的影响程度对实际温度分布的影响.下面研究分层数量对于热力学分析的影响.分层数量M为2、10、20、40时氦气温度的计算结果如图3所示.由图3可知,随着分层数量的增加,计算得到的氦气温度有所增加,且逐渐收敛.对于2层模型,此时与双节点模型类似,计算得到的氦气温度在全时段内均低于多层数模型.2层模型的氦气最高温度为255 K,而40层模型的氦气最高温度为267 K,温差达到13 K.因此,多层节点模型的节点划分是计算精度的重要参数.
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳电池对平流层飞艇热特性的影响分析[J]. 刘婷婷,麻震宇,杨希祥,张家实. 宇航学报. 2018(01)
[2]临近空间飞艇新型推进方式[J]. 宣彬彬,王晓亮,陈吉安,周平方,段登平. 上海交通大学学报. 2016(08)
[3]临近空间飞艇内部自然对流换热计算研究[J]. 张贺磊,方贤德,戴秋敏. 宇航学报. 2016(07)
[4]蒙皮热辐射特性对平流层浮空器氦气温度影响[J]. 刘东旭,杨永强,吕明云,武哲. 北京航空航天大学学报. 2010(07)
[5]平流层浮空器的热数值分析[J]. 徐向华,程雪涛,梁新刚. 清华大学学报(自然科学版). 2009(11)
本文编号：3231443
【文章来源】：上海交通大学学报. 2020,54(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
平流层浮空器热环境
基于分层模型的热力学分析方法,其本质是考虑浮空器不同部分传热方式的影响程度对实际温度分布的影响.下面研究分层数量对于热力学分析的影响.分层数量M为2、10、20、40时氦气温度的计算结果如图3所示.由图3可知,随着分层数量的增加,计算得到的氦气温度有所增加,且逐渐收敛.对于2层模型,此时与双节点模型类似,计算得到的氦气温度在全时段内均低于多层数模型.2层模型的氦气最高温度为255 K,而40层模型的氦气最高温度为267 K,温差达到13 K.因此,多层节点模型的节点划分是计算精度的重要参数.在平流层浮空器设计及其应用中,工作高度是一个非常重要的输入条件.不同高度处的大气密度差异不仅影响浮空器的浮力,还影响浮空器的热交换环境,因此有必要分析平流层浮空器在不同驻空高度的热特性.平流层浮空器在20 km、25 km及31 km驻空高度Hst上的氦气温度曲线如图4所示.由图4可知,驻空高度对于氦气温度有显著影响.高度越高,外界环境温度有所升高,且大气密度的降低将降低对流换热能力.相对于31 km处的氦气温度最高值(267 K),浮空器处于25 km和20 km时氦气温度的最高值分别降低为260 K和250 K.因此,降低驻空高度可在一定程度上降低氦气温度.
根据多层模型的热力学模型,设置分层为40层,通过Runge-Kutta方法对热力学模型的微分方程进行求解,仿真计算获得的浮空器内氦气平均温度Tave、蒙皮顶部温度T1、蒙皮底部温度T2曲线如图2所示.由图2可知,氦气的夜间温度为222 K,白天最高温度为267 K,昼夜温差为45 K;在夜间,由于地面长波辐射的影响,底部蒙皮温度为224 K,略高于顶部蒙皮的221 K,这与平流层飞艇的底部蒙皮和顶部蒙皮温差表现有较大的差异.文献[11]对平流层飞艇的热特性分析指出,蒙皮上下表面的夜间温度差达到了50 K,这主要是由于平流层飞艇蒙皮材料是采用多层复合柔性织物材料,其热特性与高空气球的多聚物材料有显著区别.该结果也说明,在平流层浮空器总体设计中,应综合考虑浮空器搭载设计要求和热特性带来的超热效应.在白天,蒙皮的最高温度为274 K,蒙皮最大温差为13 K,蒙皮温差也明显小于平流层飞艇的上下表面温差.蒙皮及浮空器内氦气的全天温度均高于外界环境温度,白天氦气温度大于最底端的蒙皮温度,但与底端蒙皮温度更接近.由图2可知,氦气在夜间的平均温度及顶部与底部蒙皮的温度均保持不变,夜间稳定温度分别为232.2 K、224.3 K和243.5 K.这是因为在夜晚外界环境温度及热辐射环境保持相对稳定.基于分层模型的热力学分析方法,其本质是考虑浮空器不同部分传热方式的影响程度对实际温度分布的影响.下面研究分层数量对于热力学分析的影响.分层数量M为2、10、20、40时氦气温度的计算结果如图3所示.由图3可知,随着分层数量的增加,计算得到的氦气温度有所增加,且逐渐收敛.对于2层模型,此时与双节点模型类似,计算得到的氦气温度在全时段内均低于多层数模型.2层模型的氦气最高温度为255 K,而40层模型的氦气最高温度为267 K,温差达到13 K.因此,多层节点模型的节点划分是计算精度的重要参数.
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳电池对平流层飞艇热特性的影响分析[J]. 刘婷婷,麻震宇,杨希祥,张家实. 宇航学报. 2018(01)
[2]临近空间飞艇新型推进方式[J]. 宣彬彬,王晓亮,陈吉安,周平方,段登平. 上海交通大学学报. 2016(08)
[3]临近空间飞艇内部自然对流换热计算研究[J]. 张贺磊,方贤德,戴秋敏. 宇航学报. 2016(07)
[4]蒙皮热辐射特性对平流层浮空器氦气温度影响[J]. 刘东旭,杨永强,吕明云,武哲. 北京航空航天大学学报. 2010(07)
[5]平流层浮空器的热数值分析[J]. 徐向华,程雪涛,梁新刚. 清华大学学报(自然科学版). 2009(11)
本文编号：3231443
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