基于Fluent的低空浮空器熱特性研究

摘 "要：該文針對(duì)浮空器的多流場(chǎng)耦合分析需要，利用Fluent對(duì)浮空器的熱特性展開(kāi)數(shù)值模擬研究。通過(guò)將浮空器蒙皮簡(jiǎn)化成零厚度壁面，結(jié)合氣囊內(nèi)外流場(chǎng)的耦合計(jì)算，獲得蒙皮表面的內(nèi)外對(duì)流量；利用UDF的Profile宏加載太陽(yáng)輻射和長(zhǎng)波輻射換熱量。計(jì)算典型季節(jié)不同時(shí)間點(diǎn)下，蒙皮外表面溫度分布和氦氣溫度變化規(guī)律。結(jié)果表明，蒙皮表面極值溫度位置受對(duì)流換熱的影響位于浮空器尾部；同一典型日期下，蒙皮表面晝夜溫度變化范圍在3～8 K，且極大值變化大于極小值變化；氦氣平均溫度變化范圍在5 K以內(nèi)，且與蒙皮表面溫度變化趨勢(shì)一致。研究結(jié)果對(duì)于保障浮空器的安全運(yùn)行具有一定幫助，也為后期浮空器傳熱-流動(dòng)-結(jié)構(gòu)的多場(chǎng)耦合計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：浮空器；Fluent；熱特性；耦合建模；溫度

中圖分類號(hào)：V27 " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2023）20-0007-05

Abstract： In order to meet the needs of multi-flow field coupling analysis of the floater， this paper uses Fluent to carry out numerical simulation of the thermal characteristics of the floater. By simplifying the skin of the floater into a zero-thickness wall， combined with the coupling calculation of the internal and external flow field of the airbag， the internal and external convection flow of the skin surface is obtained， and the heat transfer of solar radiation and long-wave radiation is loaded by the Profile of UDF. The temperature distribution on the outer surface of the skin and the variation of helium temperature at different time points in typical seasons were calculated. The results show that the extreme temperature position of the skin surface is affected by convective heat transfer at the tail of the floater， and on the same typical date， the diurnal temperature of the skin surface varies from 3K to 8K， and the variation of the maximum is greater than that of the minimum. the average temperature of helium is less than 5K， which is consistent with the trend of skin surface temperature. The research results are helpful to ensure the safe operation of the floater， and lay a foundation for the multi-field coupling calculation of heat transfer-flow-structure in the later stage.

Keywords： floater; Fluent; thermal characteristics; coupling modeling; temperature

浮空器是一種區(qū)別于傳統(tǒng)飛行器的駐空飛行器，其動(dòng)力主要來(lái)源于氣囊內(nèi)外氣體密度差所產(chǎn)生的浮力，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①滯空時(shí)間長(zhǎng)，可持續(xù)工作，生存能力強(qiáng)；②成本低、效費(fèi)比高、定點(diǎn)飛行能力強(qiáng)；③飛行平穩(wěn)安靜、裝載空間大、載荷能力強(qiáng)和起降無(wú)須跑道等[1-3]。這些優(yōu)點(diǎn)使得浮空器成為理想長(zhǎng)時(shí)間駐空的載荷平臺(tái)，在環(huán)境保護(hù)和應(yīng)急通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著浮空器應(yīng)用領(lǐng)域的延伸，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于浮空器的研究日益增多。早期，Liu等[4]利用零維瞬態(tài)模型，仿真分析了蒙皮輻射特性對(duì)平流層飛艇浮升氣體熱特性的影響，結(jié)果表明太陽(yáng)輻射吸收率和紅外輻射發(fā)射率在白天對(duì)飛艇浮升氣體溫度的影響顯著。方賢德等[5]運(yùn)用穩(wěn)態(tài)三節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)滯空高度平流層飛艇的蒙皮和浮升氣體進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果顯示內(nèi)部浮升氣體晝夜溫差可達(dá)58.8 K，上部蒙皮溫差可達(dá)65.8 K，下部蒙皮溫差為51.9 K。張賀磊[6]表明氦氣溫度與太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱有關(guān)，夏至日氦氣溫度最高，冬至日最低，一日之內(nèi)正午時(shí)分氦氣溫度最高；而一天內(nèi)蒙皮溫差最大值一般出現(xiàn)在清晨或傍晚時(shí)分。

近年來(lái)，鄧小龍等[7]基于兩節(jié)點(diǎn)熱力學(xué)模型對(duì)NASA的超長(zhǎng)航時(shí)氣球的仿真結(jié)果表明：多層節(jié)點(diǎn)模型可給出囊體不同部位的溫度分布及氦氣溫度隨時(shí)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(nèi)氦氣的晝夜溫差；高緯度飛行時(shí)的氦氣溫差更小，降低駐空高度可降低氦氣溫度。戴秋敏等[8]基于對(duì)雙氣囊平流層飛艇熱運(yùn)動(dòng)特性的分析，建立熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)耦合的雙氣囊飛艇模型，結(jié)果表明：平流層浮空器保形上升過(guò)程中內(nèi)部氣體“超冷”現(xiàn)象明顯，空氣囊溫度過(guò)低，密度較高，導(dǎo)致飛艇凈浮力減小、上升速度降低。蔣鵬程等[9]通過(guò)雙向耦合獲得整流罩的散熱詳情，結(jié)合系留氣球整體散熱狀況，提出整流罩的正確位置。

浮空器作為柔性熱飛行器，熱特性與結(jié)冰特性、結(jié)構(gòu)形變及運(yùn)動(dòng)特性等相互影響，但上述針對(duì)浮空器熱特性的研究均是基于自編算法，不利于后期開(kāi)展多物理場(chǎng)耦合分析。針對(duì)這一問(wèn)題，本文基于Fluent對(duì)浮空器熱特性及內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行耦合分析。通過(guò)User Defined Function（UDF）和無(wú)厚度邊界設(shè)置實(shí)現(xiàn)蒙皮表面太陽(yáng)輻射和長(zhǎng)波輻射的加載，以及內(nèi)外對(duì)流換熱的耦合計(jì)算，得出典型時(shí)刻下的浮空器蒙皮以及內(nèi)部浮升氣體變化規(guī)律。

1 "浮空熱特性模型

浮空器的主要熱影響因素如圖1所示，其中主要包括太陽(yáng)直射輻射、太陽(yáng)散射輻射、地面反射輻射、天空長(zhǎng)波輻射、地面長(zhǎng)波輻射、氦氣自然對(duì)流換熱和空氣的強(qiáng)迫對(duì)流換熱。

以往的研究中，絕大多數(shù)的浮空器熱特性研究均是自編程序進(jìn)行仿真計(jì)算，且針對(duì)對(duì)流換熱的計(jì)算均是采用簡(jiǎn)單幾何體的定溫或定熱流平均對(duì)流換熱計(jì)算式。一方面，飛艇的實(shí)際形狀與簡(jiǎn)單幾何體相差甚遠(yuǎn)；另一方面，平均對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算式也沒(méi)有考慮不同位置的換熱系數(shù)差異，導(dǎo)致氣球熱特性的計(jì)算結(jié)果精度難以保證。實(shí)際上，蒙皮內(nèi)外表面的換熱與流場(chǎng)特性密不可分，為獲取精確的蒙皮對(duì)流換熱分布，需開(kāi)展內(nèi)外流場(chǎng)與蒙皮的耦合計(jì)算。

1.1 "內(nèi)外流場(chǎng)域建模

取某Y型尾翼的浮空器為例，其長(zhǎng)度L為151.2 m，半徑R為21 m，浮空器內(nèi)外流場(chǎng)劃分如圖2所示。入口域距離飛艇前部225 m，出口域距離飛艇尾部675 m，計(jì)算域半徑為100 m。

1.2 "蒙皮處理

由圖2可知，一方面是大尺度的流場(chǎng)區(qū)域，一方面是小尺度的蒙皮厚度，解決這極大與極小的沖突是仿真的重點(diǎn)。

因?yàn)槊善?nèi)外對(duì)流、輻射換熱量大，在毫米級(jí)別的蒙皮厚度下，厚度方向的溫度梯度可以忽略。為了實(shí)現(xiàn)蒙皮與內(nèi)外流場(chǎng)的耦合計(jì)算，將蒙皮假設(shè)為無(wú)厚壁壁面。將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中生成耦合交界面，設(shè)置Coupled邊界，結(jié)合給定的厚度和材料屬性直接計(jì)算熱阻，可相當(dāng)程度地簡(jiǎn)化蒙皮的計(jì)算量。作用在蒙皮表面的太陽(yáng)輻射和長(zhǎng)波輻射通過(guò)編寫用戶自定義函數(shù)（UDF）定義輻射熱流，但可通過(guò)Profile宏定義各單元的產(chǎn)熱率（Heat Generation Rate）實(shí)現(xiàn)。通過(guò)上述操作，相當(dāng)于將蒙皮表面的輻射得熱與內(nèi)外流場(chǎng)的對(duì)流換熱的加載。

1.2.1 "太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)輻射是浮空器獲取熱量最重要的來(lái)源。太陽(yáng)輻射包括了太陽(yáng)直射、太陽(yáng)散射和地面反射。太陽(yáng)直射是太陽(yáng)輻射方向未改變直接透過(guò)大氣層被蒙皮表面所吸收的輻射熱量。太陽(yáng)散射是太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)氣體、液體或固體的反射與折射，其強(qiáng)度與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件密切相關(guān)。地面反射是指太陽(yáng)輻射被地面反射后被蒙皮表面所吸收的部分熱量。本文根據(jù)太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度，云層與氣球的相對(duì)位置，氣球蒙皮的結(jié)構(gòu)，求各單元的太陽(yáng)輻射熱流密度，計(jì)算公式如下

浮空器外部蒙皮表面空氣流動(dòng)處于湍流流動(dòng)區(qū)域，內(nèi)部氦氣由于大空間高溫差的原因，處在自然對(duì)流狀態(tài)。而自然對(duì)流受到浮空器蒙皮壁面的影響很大，因此模擬計(jì)算時(shí)選擇了RNG k-ε湍流模型，壓力耦合方式選擇SIMPLE算法，壓力離散格式采用Body Force Weright，其余用二階迎風(fēng)格式。

1.4 "網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

浮空器的內(nèi)外流場(chǎng)域的采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，通過(guò)ICEM劃分網(wǎng)格后，網(wǎng)格單元總數(shù)355萬(wàn)。以夏至日0時(shí)為例，分別對(duì)邊界層網(wǎng)格尺寸和總的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行分析。由于近壁面采取增強(qiáng)壁面處理，當(dāng)y+≈1時(shí)能較為準(zhǔn)確地模擬內(nèi)外流場(chǎng)[12]。最終確定邊界層數(shù)目為6層，首層網(wǎng)格為10 mm，總數(shù)為355萬(wàn)的網(wǎng)格作為計(jì)算方案。網(wǎng)格分析結(jié)果見(jiàn)表2。

2 "模擬結(jié)果分析

本節(jié)針對(duì)某型浮空器在4 km高度下的駐空過(guò)程熱特性進(jìn)行分析，在對(duì)流層區(qū)域，對(duì)流換熱條件充足，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

浮空器在升空過(guò)程中，經(jīng)過(guò)對(duì)流層時(shí)容易受到多重因素的影響，不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的氣象條件是不相同的，這也就導(dǎo)致了蒙皮表面溫度和氦氣溫度的變化差異，本文計(jì)算了在3個(gè)典型季節(jié)下，不同時(shí)間點(diǎn)下的溫度場(chǎng)，其中夏至日計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

其中夏至日各時(shí)刻蒙皮溫度分布云圖如圖3所示。可以從云圖直觀的發(fā)現(xiàn)蒙皮表面溫度分布，造成表面分布范圍的不均勻性正是蒙皮表面的對(duì)流換熱量的差異。在駐空期間，蒙皮的溫度分布呈周期性變化，同時(shí)內(nèi)部的氦氣壓力也隨溫度變化而周期性變化。夜間，受長(zhǎng)波輻射的影響，溫度分布趨勢(shì)為底部高、頂部低；受對(duì)流換熱系數(shù)的影響， 艇首溫度接近大氣溫度、尾部溫度更接近蒙皮極值溫度。白晝，受長(zhǎng)波輻射影響，低溫區(qū)位于浮空器頂部的背陽(yáng)面；受浮空器朝向和對(duì)流換熱的影響，高溫區(qū)位于浮空器尾部的朝陽(yáng)面。

由圖4可知，春分日、夏至日和冬至日各時(shí)間點(diǎn)蒙皮表面的最高溫度變化。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，從0點(diǎn)開(kāi)始，隨著時(shí)間的進(jìn)程，溫度逐漸上升，中午時(shí)溫度達(dá)到最高點(diǎn)，后逐漸下降。蒙皮表面最高溫度達(dá)到了281.6 K，最低達(dá)到了256.2 K。同一時(shí)刻，夏至日和冬至日的蒙皮表面最高溫度相差約為18～22 K，主要由于不同季節(jié)空氣溫度和地面溫度的不同所造成的，其主要影響原因是地面反射輻射和太陽(yáng)輻射。同一季節(jié)中，一天的溫差最大約為8 K，相比于平流層的溫度變化，這是因?yàn)橛?jì)算高度位于對(duì)流層，輻射等影響較為均衡，引起的溫差也較小。

同樣可知，春分日、夏至日和冬至日各時(shí)間點(diǎn)蒙皮表面的最低溫度變化。其溫度變化趨勢(shì)與蒙皮表面最高溫度的變化趨勢(shì)大致相同，同一時(shí)刻下的不同季節(jié)溫度變化范圍大約在17～19 K之間。同一季節(jié)下的一天最大溫差變化約在3 K。對(duì)比蒙皮表面溫度最大值與最小值，相同季節(jié)和時(shí)間點(diǎn)下，蒙皮表面溫差最大值和最小值都是在冬至日，分別達(dá)到了9.4 K和3.1 K，時(shí)間為分別為12點(diǎn)和0點(diǎn)。

由圖5可知，春分日、夏至日和冬至日各時(shí)間點(diǎn)內(nèi)部氦氣平均溫度變化。在一天的變化中，氦氣溫度的變化較蒙皮表面溫度變化更為平緩。氣囊氦氣的最高溫度和最低溫度分別是276.3 K和254.4 K，分別出現(xiàn)在12時(shí)與0時(shí)。同一日中，春分日、夏至日和冬至日的氦氣溫差分別約4、5和2 K，造成冬至日溫差較小的原因是冬季輻射強(qiáng)度是氣囊溫度變化的主要原因。同一時(shí)刻下，夏至日和冬至日的氦氣平均溫差約為19～21 K，變化大小和趨勢(shì)與蒙皮表面溫度大致相同。

3 "結(jié)論

本文在Fluent仿真軟件的基礎(chǔ)上，建立浮空器的物理模型和熱特性模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)某型低空浮空器駐空過(guò)程的內(nèi)外流場(chǎng)與熱特性的模擬，分析了典型時(shí)間不同時(shí)刻下浮空器的蒙皮溫度分布以及氦氣平均溫度分布。得到了以下結(jié)果。

1）白晝時(shí)，浮空器頂部溫度高，底部溫度低，夜間則相反；極值溫度區(qū)受對(duì)流換熱影響位于浮空器尾部。

2）同一典型日期下，蒙皮表面晝夜溫度的變化范圍在3～8 K。同一天下，蒙皮表面溫度最大值的變化明顯高于最小值的變化。

3）氦氣平均溫度變化與蒙皮表面溫度變化一致；同一天中，氦氣平均溫度變化較小，變化范圍在5 K以內(nèi)。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的后處理能夠有效直觀地觀察到浮空器表面溫度分布及內(nèi)外部的流場(chǎng)分布，對(duì)于提升飛艇升空安全性提供幫助，也為浮空器的后期傳熱-流動(dòng)-結(jié)構(gòu)的多場(chǎng)耦合計(jì)算提供基礎(chǔ)。

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