平流層飛艇強迫對流特性數(shù)值仿真分析*

武江濤，麻震宇，侯中喜，柳兆偉

(國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙 410073)

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平流層飛艇強迫對流特性數(shù)值仿真分析*

武江濤，麻震宇，侯中喜，柳兆偉

(國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙 410073)

摘要：強迫對流換熱特性對平流層飛艇熱狀態(tài)有重要影響。以平流層飛艇流線型封閉囊體為研究對象，基于囊體內(nèi)部純導(dǎo)熱傳熱的假設(shè)，采用計算流體力學方法建立平流層飛艇外部流場三維數(shù)值模型，對飛艇外部強迫對流換熱特性進行仿真分析，得到了不同太陽照射角度、風速和攻角條件下的飛艇表面溫度分布和內(nèi)部平均溫度變化規(guī)律，為平流層飛艇熱狀態(tài)預(yù)測和熱控設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：平流層飛艇；強迫對流；計算流體力學；數(shù)值仿真

平流層飛艇依靠浮力升空，可實現(xiàn)長期穩(wěn)定駐留和可控飛行，在對地觀測、偵察預(yù)警、通信中繼、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)撃堋．斍埃澜绺鲊谄搅鲗语w艇研制方面都處于方案探索與試驗驗證階段，圍繞“可控進入、長期駐空、安全返回”等核心問題開展基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)。不同于飛機、衛(wèi)星等飛行器，平流層飛艇內(nèi)部充滿大量浮升氣體，氣體溫度變化較大程度上影響飛艇所受浮力變化，氣體熱力學狀態(tài)對其飛行狀態(tài)和運行安全具有重要影響，是典型的“熱飛行器”。駐空過程中，平流層飛艇在內(nèi)外流場環(huán)境中經(jīng)歷較復(fù)雜的對流換熱作用，對飛艇的熱狀態(tài)具有重要影響。開展飛艇對流換熱特性研究，揭示并預(yù)測飛艇熱特性，對于解決平流層飛艇長期穩(wěn)定駐空問題非常重要。

國內(nèi)外學者考慮了輻射和對流換熱因素，針對飛艇熱模型開展了廣泛研究，分別建立了平流層飛艇零維模型[1]、兩節(jié)點模型[2-3]、二維無限長圓柱模型[4]和三維熱模型[5-7]，其中飛艇內(nèi)外表面的對流換熱系數(shù)均為采用平板或圓柱實驗經(jīng)驗公式得到的近似值。當前對平流層飛艇對流換熱特性的研究較少。內(nèi)部自然對流方面，Marc[8]開展了平流層飛艇內(nèi)部對流換熱試驗研究，并采用水平圓柱近似模擬飛艇內(nèi)部自然對流，計算得到了平均對流換熱系數(shù)。楊小川和夏新林[9-10]采用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法，通過均勻?qū)α鲹Q熱系數(shù)表示外部強迫對流，對非均勻熱邊界條件的橢球形封閉腔內(nèi)部自然對流進行仿真分析，結(jié)果表明，內(nèi)部流場最大流速不超過2 m/s，同一時刻內(nèi)部氣體壓力非均勻性較小。徐向華[5]對球形封閉腔內(nèi)部對流特性進行了計算，研究表明，艇體內(nèi)部自然對流增加了蒙皮與內(nèi)部氣體的換熱，但對內(nèi)部氣體平均溫度影響不大，可以簡化為固體導(dǎo)熱求解。外部強迫對流方面，劉泉等[11]考慮長徑比和攻角的影響，建立了基于飛艇長徑比修正的外部強迫對流換熱模型，通過與實驗對比驗證了建立的經(jīng)驗準則，研究結(jié)果表明，太陽方位角與飛艇攻角對整個飛艇熱平衡會有較大影響。Dai等[12]對球形封閉腔外流場開展了二維穩(wěn)態(tài)傳熱仿真計算，研究了外部強迫對流特性，對高雷諾數(shù)條件下的球體外表面平均努塞爾數(shù)進行了修正，并與文獻結(jié)果進行了比較。

綜上所述，目前普遍采用的簡化對流換熱計算方法難以真實反映飛艇熱特性。基于文獻[5]研究成果，將飛艇內(nèi)部假設(shè)為純導(dǎo)熱傳熱，采用CFD軟件fluent對平流層飛艇外部強迫對流特性進行仿真分析，計算不同太陽照射角度條件下的飛艇表面溫度分布和內(nèi)部氣體平均溫度變化規(guī)律，分析不同風速和攻角對飛艇對流傳熱特性的影響，為平流層飛艇熱設(shè)計提供技術(shù)支撐和參考依據(jù)。

1外部對流計算模型

1.1幾何網(wǎng)格劃分

平流層飛艇內(nèi)部自然對流較為微弱，在相同的熱邊界條件下，內(nèi)部氣體平均溫度和均勻?qū)峒僭O(shè)得到的平均溫度差別很小，可將飛艇內(nèi)部傳熱簡化為固體均勻?qū)醽磉M行計算。飛艇內(nèi)部計算只涉及導(dǎo)熱問題，而飛艇外部為大氣流場，如圖1所示。分別對飛艇內(nèi)部計算域和外部流體計算域進行網(wǎng)格劃分，圖2給出了外部流場計算區(qū)域和平流層飛艇內(nèi)、外部網(wǎng)格劃分，其中飛艇表面網(wǎng)格的第一層厚度約為1/2000飛艇長度。在固體與流體交界面上采用溫度耦合求解。

圖1　外部對流計算示意圖Fig.1　Schematic of convection simulation

(a) 飛艇流場計算域(a) Domains of flow calculation

(b) 飛艇外部網(wǎng)格劃分(b) Grids of ambient flows of airships

(c)艇體內(nèi)部網(wǎng)格(c)Grids of inner flows of airships圖2　計算域網(wǎng)格劃分Fig.2　Mesh generation of computational domains

1.2邊界條件和數(shù)值方法

流場計算采用納維-斯托克斯(Navier-Stokes, N-S)方程，基于有限體積方法對流場進行離散，其中入口邊界條件為速度入口，而出口采用壓力出口邊界。熱邊界條件采用熱流邊界的假設(shè)，忽略由于溫度差異引起的對外輻射不均勻性。不同的照射位置對應(yīng)于不同的晝夜時刻，研究不同照射位置對飛艇表面溫度分布的影響。飛艇表面的熱流密度可表示為：

q=as·εs·(qin-qout)·cosγse+εrE0

(1)

其中，εs·(qin-qout)為可吸收的最大熱流密度，參考春分日北緯40°地區(qū)太陽輻照參數(shù)得到平均熱流密度為100 W，as為太陽可見因子，γse為太陽照射方向和飛艇表面的內(nèi)法線方向的夾角，εrE0為吸收的周圍環(huán)境的紅外輻射，設(shè)平均值為20 W。飛艇的表面所受到的熱流密度分布如圖3所示。

圖3　熱流邊界條件示意圖Fig.3　Diagram of thermal boundary condition

2外部強迫對流分析

2.1計算條件

飛艇外形采用美國高空飛艇(High Altitude Airship, HAA)的幾何參數(shù)，飛艇長度L為152 m，計算域長度為33L，直徑為10L，如圖2所示。內(nèi)部氦氣的物理參數(shù)見表1，計算條件為20 km處的標準大氣密度、氣壓、溫度參數(shù)。

表1　內(nèi)部氦氣參數(shù)

2.2典型狀態(tài)分析

以太陽斜上方45°照射、10 m/s來流速度和4°飛行攻角為平流層飛艇典型飛行狀態(tài)，對外部流動傳熱進行仿真計算。

平流層飛艇外表面壓力分布和流動特性如圖4所示。由于20 km的空氣密度非常低，由動壓引起的表面相對壓力非常小。觀察附近的流線可以看出，在飛艇有飛行攻角時，在飛艇后緣的背風區(qū)出現(xiàn)漩渦。

平流層飛艇表面溫度分布和內(nèi)部溫度分布如圖5所示。飛艇上部溫度較高，下部溫度相對較低，這是由于飛艇上部受到太陽直射熱流的加熱作用；飛艇尾部的溫度相比飛艇頭部溫度稍高，這是由于較熱的飛艇表面蒙皮對貼近艇體的氣流產(chǎn)生加熱作用，使得靠近后緣的飛艇外部氣流溫度比前部氣體稍高，因此艇體尾部的溫度較高；在典型狀態(tài)條件下，飛艇受熱最為嚴重的區(qū)域為飛艇頭部的駐點區(qū)域以及飛艇后緣的背風區(qū)域，最高溫度超過300 K。

(a) 飛艇表面外部壓力分布云圖(a) Pressure distributions of airship skins

(b) 飛艇表面流線示意圖(b) Flow lines of airship surfaces圖4　平流層飛艇典型狀態(tài)表面壓力計算結(jié)果Fig.4　Pressure results of stratospheric airships

(a) 飛艇表面溫度分布云圖(a) Temperature distributions of airship skins

(b) 飛艇內(nèi)部溫度分布云圖(b) Temperature distributions inside the airship圖5　平流層飛艇典型狀態(tài)溫度計算結(jié)果Fig.5　Temperature results of stratospheric airships

2.3太陽照射角度影響分析

對于不同的太陽照射角度，由于飛行攻角和風速相同，可忽略表面壓力分布差異。圖6給出了不同太陽照射角度條件下艇體表面溫度分布云圖。如圖6所示，太陽照射角度在0°～90°之間變化，在不同的照射位置下，飛艇表面溫度分布明顯不同。當太陽照射角度為0°，即照射位置在頭部時，表面高溫部分位于頭部區(qū)域，且高溫區(qū)域非常小。

(a) 0°

(b) 45°

(c) 90°圖6　艇溫度隨照射角度變化計算結(jié)果Fig.6　Temperature contours under different radiation angles

圖7　內(nèi)部平均溫度隨太陽照射角度變化曲線Fig.7　Average temperature of Helium under different radiation angles

圖7給出了不同太陽照射角度條件下艇體內(nèi)部平均溫度變化曲線。如圖7所示，當太陽照射角度為0°，內(nèi)部平均溫度約為234 K，而當太陽照射角度為90°，即照射位置處于正上方時，內(nèi)部平均溫度約為246 K，高出約12 K。這是由于不同的照射角度對應(yīng)的熱流值不同。

2.4風速影響分析

圖8給出了不同風速條件下艇體表面溫度分布云圖。其中，假設(shè)飛艇保持4°攻角飛行，風速在5～15 m/s范圍內(nèi)變化。由圖可見，不同風速下飛艇表面溫度分布規(guī)律一致，由于飛艇的上表面受到熱流的加熱作用，造成上部溫度比下部溫度高，當周圍冷空氣流過飛艇表面時帶走了部分熱量，飛艇周圍空氣被加熱，因而尾部溫度比頭部溫度稍高。

(a) 5 m/s

(b) 10 m/s

(c) 15 m/s圖8　飛艇溫度隨風速變化計算結(jié)果Fig.8　Temperature contours under different wind velocities

圖9給出了不同風速條件下艇體內(nèi)部平均溫度變化曲線。如圖9所示，內(nèi)部氦氣平均溫度隨風速增大而降低，風速為5 m/s時的內(nèi)部平均溫度為260 K，風速為15 m/s時的內(nèi)部溫度為235 K左右，降幅達到25 K。飛艇飛行空速的增加可有效緩解飛艇的超熱問題，但同時會帶來更大的阻力作用，對能源動力系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。

圖9　內(nèi)部平均溫度隨風速變化曲線Fig.9　Average temperature of Helium under different wind velocities

2.5攻角影響分析

圖10和圖11分別給出了不同攻角條件下艇體表面溫度分布云圖和艇體內(nèi)部平均溫度變化曲線。其中，假設(shè)風速為10 m/s，飛艇飛行攻角在0°～8°范圍內(nèi)變化。由圖11可見，飛行攻角對飛

(a) 0°

(b) 4°

(c) 8°圖10　飛艇溫度隨攻角變化計算結(jié)果Fig.10　Temperature contours under different attack angles

艇表面的溫度分布和內(nèi)部平均溫度值影響較小。隨著飛行攻角的增大，內(nèi)部氦氣平均溫度略有降低，但降低幅度較小。

圖11　內(nèi)部平均溫度隨攻角變化曲線Fig.11　Average temperature of Helium under different attack angles

3結(jié)論

基于飛艇內(nèi)部純導(dǎo)熱傳熱假設(shè)，建立平流層飛艇對流換熱數(shù)值計算模型，采用CFD軟件fluent對平流層飛艇外部強迫對流特性進行仿真分析，計算了不同太陽照射角度條件下的飛艇表面溫度分布和內(nèi)部氣體平均溫度變化規(guī)律，并分析了不同風速和攻角對飛艇對流傳熱特性的影響。計算結(jié)果表明：飛艇表面受熱最為嚴重的區(qū)域為飛艇頭部的駐點區(qū)域以及飛艇后緣的背風區(qū)域，最高溫度超過300 K，由于氣流經(jīng)過飛艇表面的加熱作用，飛艇尾部相比飛艇頭部溫度稍高。太陽照射角度對飛艇表面溫度分布影響較大，飛艇照射方向位于頭部時內(nèi)部平均溫度約為234 K，照射方向位于正上方時內(nèi)部平均溫度約為246 K，溫度上升約12 K；在不同的風速條件下飛艇表面溫度分布規(guī)律一致，飛艇內(nèi)部平均溫度隨風速的增大而降低，風速為5 m/s時內(nèi)部平均溫度為260 K，風速為15 m/s時內(nèi)部溫度降至235 K，降幅達到25 K；飛行攻角對飛艇表面溫度分布和內(nèi)部平均溫度影響較小，隨著攻角的增加，飛艇內(nèi)部平均溫度有小幅度降低。平流層飛艇內(nèi)外流動較為復(fù)雜，需開展進一步研究以揭示其對流換熱特性和機理。

參考文獻(References)

[1]劉東旭， 楊永強， 呂明云， 等. 蒙皮熱輻射特性對平流層浮空器氦氣溫度影響[J].北京航空航天大學學報, 2010, 36(7): 836-840.

LIU Dongxu, YANG Yongqiang, LYU Mingyun, et al. Effect of envelop thermal radiative properties on the stratospheric super-pressure LTA vehicle helium temperature [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2010, 36(7): 836-840.(in Chinese)

[2]Stefan K. Thermal effects on a high altitude airship[C]//Proceedings of the 5th Lighter-Than Air Conference, AIAA 83-1984, 1983.

[3]方賢德，王偉志，李小建. 平流層飛艇熱仿真初步探討[J]. 航天返回與遙感， 2007， 28(2): 5-9.

FANG Xiande, WANG Weizhi, LI Xiaojian. A study of thermal simulation of stratospheric airships[J].Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2007, 28(2): 5-9. (in Chinese)

[4]Harada K, Eguchi K, Sano M, et al. Experimental study of thermal modeling for stratospheric platform airship[C]//Proceedings of AIAA′s 3rd Annual Aviation Technology, Integration, and Operations (ATIO) Conferences, AIAA 2003-6833, 2003.

[5]徐向華，程雪濤，梁新剛. 平流層浮空器的熱數(shù)值分析[J].清華大學學報(自然科學版)， 2009， 49(11): 1848-1851.

XU Xianghua, CHENG Xuetao, LIANG Xingang. Thermal analysis of a stratospheric airship[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2009, 49(11): 1848-1851.(in Chinese)

[6]李德富. 平流層浮空器的熱特性及其動力學效應(yīng)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學, 2011.

LI Defu. Thermal behavior and its dynamic effects on stratospheric aerostats [D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2011.(in Chinese)

[7]李小建. 臨近空間浮空器熱—結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬研究[D]. 南京：南京航空航天大學, 2013.

LI Xiaojian. Numerical simulation of thermal-structure coupling for near space airship[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013.(in Chinese)

[8]Henze M, Weigand B, Jens V W. Natural convection inside airships[C]//Proceedings of the 9th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, AIAA 2006-3798， 2006.

[9]楊小川. 復(fù)雜熱環(huán)境中大型薄殼體內(nèi)的自然對流數(shù)值模擬[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學, 2008.

YANG Xiaochuan. Numerical simulation of natural convection inside huge thin-skin enclosures exposed to complicated thermal environment [D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2008.(in Chinese)

[10]夏新林， 李德富， 楊小川. 復(fù)合熱條件下橢球形封閉腔內(nèi)低壓氣體的自然對流[J]. 航空學報， 2010, 31(3)： 453-458.

XIA Xinlin, LI Defu, YANG Xiaochuan. Natural convection of low pressure gas in ellipsoidal enclosure induced by combined thermal conditions[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2010, 31(3)： 453-458.(in Chinese)

[11]劉泉， 徐庶民， 鐘偉， 等. 基于長徑比修正的飛艇對流換熱準則關(guān)系式研究[J]. 中國科學技術(shù)大學學報, 2013,43(5): 387-392.

LIU Quan, XU Shumin, ZHONG Wei, et al. A heat transfer empirical correlation for the stratospheric airship based on its length-to-diameter ratio [J]. Journal of University of Science and Technology of China,2013,43(5): 387-392.(in Chinese)

[12]Dai Q M, Fang X D, Xu Y. Numerical study of forced convective heat transfer around a spherical aerostat [J]. Advances in Space Research, 2013, 52 (12): 2199-2203.

doi:10.11887/j.cn.201602029

基金項目：國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項支持項目(GFZX040201)

作者簡介：武江濤(1977—)，男，陜西渭南人，博士研究生，E-mail：hale_airship@sina.com；麻震宇(通信作者)，男，講師，博士，E-mail：mazhenyu@nudt.edu.cn

中圖分類號：V274

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)02-177-06

Numerical research on forced convective heat transfer of stratospheric airships

WU Jiangtao, MA Zhenyu, HOU Zhongxi, LIU Zhaowei

(College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：During the floating flight, the complex radiation-convection environment remarkably affects the flight performance and security of the stratospheric airship. The forced convection around the stratospheric airship plays an important role in the thermal behavior of the airship. Based on the hypothesis of pure heat conduction inside the airship, a three dimensional CFD model of stratospheric airships was developed and the thermal characteristics of the forced convective heat transfer of the airship were investigated. The distributions of the temperature of skins of the airship and the average temperature of the inner gas were calculated with the variation of the angle of the sun, the wind velocity and the angle of attack. Simulation results can be referenced for the accurate prediction of the thermal behavior of stratospheric airships.

Key words：stratospheric airships; forced convection; computational fluid dynamics; numerical simulation

http://journal.nudt.edu.cn

稿日期：2015-04-20