對流現象對超壓氣球中氦氣的影響

斯日古楞 孫立君

摘 要：本文通過分析填充氦氣超壓氣球在環境變化導致與周圍大氣發生對流換熱的現象，建立了超壓氣球熱力學模型，并對其升空過程應用MATLAB軟件仿真計算，研究了不同環境下模型升空過程中強迫對流系數、氦氣溫度隨著大氣高度變化規律。結果表明，在上升過程中氦氣溫度發生非線性變化，在升空過程初期填充氦氣溫度會出現上升現象，之后隨著大氣高度的增加而降低，到達18Km后，氦氣溫度又會隨著大氣高度的增加而增加。

關鍵詞：超壓氣球;MATLAB仿真;強迫對流;對流換熱

高空氣球作為一種新型無動力的平流層浮空器，有著飛行高度高、工作時間長、承載能力強、成本低等特點。而且在軍事通信、情報、導航和電視轉播、氣象遙感等方面都有著重要的作用。可以將它分為兩種類型：零壓氣球和超壓氣球。超壓氣球采用一種全封閉的結構設計在氣球的內外兩側會產生巨大的壓強差。本文通過對流換熱現象對超壓氣球的體積和溫度變化進行研究，采用MATLAB軟件進行仿真計算。分析了隨著大氣風速和大氣溫度變化對周圍大氣和超壓氣球的強迫對流系數以及溫度的影響，為超壓氣球的設計具有理論指導意義。

1 模型建立

（1）大氣模型建立。采用1976年美國標準大氣模型，[1]初始大氣壓強為0.1013MPa，初始大氣密度為1.225Kg/m3。

（2）浮升氣體的選擇。氦氣相比于熱氣球中的空氣來說浮力大，不容易燃燒和爆炸，[1]因此本文用氦氣作為超壓氣球模型的填充氣體。

（3）高空氣球模型。建立圓球形模型，進行數值計算。具體參數如下表所示。

3 計算結果

圖1所示，超壓氣球在上升的過程中，強迫對流系數會隨著大氣高度的變化發生規律性變化，隨著風速的增加，強迫對流系數也會隨著增加。當大氣高度為12Km時，風速和強迫對流系數同時達到最大值。

當只考慮強迫對流系數對氦氣的影響時，超壓氣球升空過程中氦氣的溫度變化如圖2所示。氦氣溫度在升空過程中的非線性變化，升空過程的初期，氦氣溫度會有明顯的一段上升變化，其溫差在秋季時最大，可達到19.58K。隨后在2-12km的空域內，氦氣溫度隨大氣高度的增加而開始大幅度的降低，最大溫差可達到44.2K。隨后氦氣溫度仍會隨著大氣高度的增加而降低，但此時氦氣溫度的變化率非常低。當大氣高度為18km時，超壓氣球中氦氣的溫度會隨著大氣高度的增加而增加。

4 結論

（1）隨著大氣中風速的變化，超壓氣球所受到的強迫對流系數也會隨之變化，其最大值出現在冬季，最大值為3.0008。

（2）超壓氣球在上升的過程中，氦氣溫度會發生非線性的變化。在剛剛升空的過程中內部氦氣溫度會出現短暫的上升，隨后會隨著大氣高度的增加而降低，到達18Km后，氦氣溫度會隨著大氣高度的增加而增加。其最大溫差出現在春季，為53.14K。

參考文獻：

[1]楊炳尉.標準大氣參數的公式表示[J].宇航學報，1983（01）：83-86.

[2]鄭永駿.平流層飛艇上升段航跡多目標優化設計與分析[D].國防科學技術大學，2014.

[3]AIAA.Mathematical modeling of high altitude balloon performance[J].2000.SALEH S，HE W.Ascending Performance Analysis for High Altitude Zero Pressure Balloon[J].Advances in Space Research，1.2017，59（8）：2158-2172.

[4]張奕，郭恩震.傳熱學[M].北京：東南大學出版社，2004.

[5]張熙民，任澤霈.傳熱學[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

基金項目：內蒙自然科學基金項目（2018MS01014）

作者簡介：斯日古楞（1981-），女，博士，講師，主要從事工程力學方面的教學與研究;孫立君（1994-），男，碩士。