關于系留氣球載荷整流罩散熱方法探討與仿真分析

徐亮　陸景松

【摘 要】本文對系留氣球整流罩的兩種典型散熱方案進行數值模擬計算，對比兩種散熱方案各有優缺點，并針對不同使用環境提出建議。

【關鍵詞】整流罩;散熱;數值模擬;對比

中圖分類號： V273 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0133-002

0 引言

系留氣球是航空器的一種，其利用氣球內部充入氦氣或者其他浮升氣體獲取升力，一般搭載預警、通信、對抗或光電等任務載荷，升空到一定海拔高度執行任務，系留氣球任務載荷裝置外形并非流線型，一般采用在負載裝置外側布置整流罩的方法，以減弱系留氣球負載裝置對系留氣球氣動性能的影響[1-4]。由于負載裝置一般具有較大功率，必須對整流罩內部進行散熱，防止負載裝置發生過熱導致失效等不良情況。本文以某系留氣球整流罩為研究對象，探討其內部散熱方法，并對方案進行數值仿真及分析。

1 數學模型

1.1 整流罩模型

系留氣球整流罩為流線型，位于系留氣球氣囊底部，負載裝置位于整流罩內部。負載裝置功耗5kw，裝置效率為80%，即裝置發熱功率為1kw。

根據分析，可選的散熱方案有兩種：（1） 整流罩連通閥與整流罩閥門形成流通，由系留氣球氣囊來風冷卻整流罩內部，以下簡稱方案一，如圖1所示;（2）整流罩風機與整流罩閥門形成流通，風機引進外界空氣冷卻整流罩內部，以下簡稱方案二，如圖2所示。兩種方案對比見下表所示。

采用夏季白天大氣環境作為研究整流罩散熱方案優劣的外界條件，大氣溫度取30℃，大氣其他條件與標準大氣一致。系留氣球內氣體白天存在超熱情況，其內部氣體溫度取40℃。由于負載裝置外形不規則，將其簡化為圓球狀，負載壁面及整流罩內部流場初始溫度均取30℃，負載圓球壁面設置熱流密度，其值由發熱功率及圓球表面積確定。

1.2 數學模型

采用如下考慮粘性的連續性方程、動量方程及能量方程來描述流動區域的流動傳熱過程：

計算域內流體定義為不可壓縮流體;考慮湍流效應，采用k-ε湍流模型;壓力與速度耦合采用SIMPLE算法;流體入口采用速度入口邊界條件，流體出口采用自由出口邊界條件;負載裝置采用固定熱流密度邊界條件，整流罩壁面采用固定溫度邊界條件，上側與系留氣球囊體連接面為40℃，其他部分為30℃。

由于主要研究氣囊內部流體的流動和傳熱過程，計算區域內流動和傳熱過程采用文獻[5]中的連續性方程、動量方程、能量方程來描述。

（1）連續性方程：

（2）動量守恒方程：

式中：f為流體單位體積的質量力，μ為流體的動力黏度，λ為流體的第2分子黏度，對于氣體可取λ=-2/3。

（3）能量守恒方程

式中：cp為比熱容，T為溫度，λ為導熱系數，ST為黏性耗散相。

在GAMBIT中選擇用商用流體計算軟件進行CFD計算，利用GAMBIT創建整流罩內氣體的二維網格模型，根據整流罩的幾何參數繪制出整流罩中心剖面圖，按照格式化網格劃分，網格的間距為10 mm。計算采用二維軸對稱模型。方案一和方案二開口面積相等，方案一入口流量為0.15m3/s，方案二入口速度為0.2m3/s，根據流量設置入口速度。

2 計算結果及分析

2.1 計算結果

方案一、方案二的溫度場計算結果分別見圖3、圖4所示。中間圓球部分為發熱單元。由于鼓風機的入口速度大、溫度低，方案二整流罩囊體內部溫度比方案一低，方案二整流罩囊體內部的高溫區域大。方案二整流罩囊體內平均溫度為306K，方案一整流罩囊體內部平均溫度309K。

方案一、方案二速度場情況分別見圖5、圖6所示。對比發現方案二氣流主要部分流經發熱單元，帶走的熱量較多，而方案一的入口氣流只（下轉第169頁）（上接第134頁）有小部分流經發熱單元，帶走的熱量較少。

2.2 結果分析

從2.1節對比結果可得出方案二的整流罩內部環境溫度低于方案一的，平均溫度相差3度，有利于發熱單元的輻射換熱;另外方案二流體主要流經發熱單元，有利于發熱單元的對流換熱。

根據上述分析，選擇方案二的整流罩內部散熱效果更好。另外對比兩種方案重量功耗情況，方案一的總重量、總功耗占優。對于方案一建議將連通閥安裝到散熱單元附近有利于帶走更多的熱量。

3 結論

本文對系留氣球整流罩散熱方式提出以下建議：

（1）發熱單元發熱量大而對于重量、功耗要求不高的系留氣球建議選擇方案二對整流罩進行散熱;

（2）發熱單元發熱量小建議選擇方案一，有利于節省系留氣球上能源消耗和減小負載重量。

【參考文獻】

[1]張翠，陳付幸，鄒濤.系留氣球軍事應用研究[J].浮空器研究，2008 VOL.2 No.4.

[2]Christopher Bolkcom，Potential Military Use of Airships and Aerostat [R].CRS Report for Congress，Sep 2006.

[3]陸汝玉.美國420K型系留氣球高空固定平臺簡介[J].雷達與電子戰，1995（1）：40-48.

[4]TCOM techered aerostats[G].Janes Unmanned Aerial Vehicles And Targets，Jan 2008.

[5]黃衛星，陳文梅.工程流體力學[M].北京：化學工業出版社，2001.