系留氣球整流罩散熱數(shù)值仿真

蔣鵬程，歐陽自強，張文華

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

系留氣球是一種利用輕于空氣（LTA）氣體的浮力獲得升力的無動力飛行器，具有維護(hù)成本低、安全度高、滯空時間久、無噪音等特點[1-4]。其搭載的任務(wù)設(shè)備可執(zhí)行通訊任務(wù)、救援任務(wù)、氣象探測、長時預(yù)警偵查等任務(wù)[5-9]，任務(wù)設(shè)備通常安裝在系留氣球下部整流罩內(nèi)。然而隨著任務(wù)設(shè)備性能的不斷提升，伴隨發(fā)熱量也急劇增加。若熱量不能及時散出，極易導(dǎo)致任務(wù)設(shè)備故障停機，因此整流罩的散熱設(shè)計逐漸成為浮空器設(shè)計需要考慮的重大問題之一，如圖1 所示。

圖1 整流罩散熱示意Fig.1 Heat dissipation diagram of windscreen

近年來國內(nèi)外專家學(xué)者對浮空器（含系留氣球和飛艇）開展了大量的研究工作，主要集中于球囊及浮升氣體的相關(guān)特性研究[10-14]，尤其以熱特性研究為熱點，而基于對系留氣球這類近地空間浮空器任務(wù)設(shè)備的環(huán)境控制研究涉及甚少。例如，Dai 等[15]模擬研究了高空超壓氣球的熱力學(xué)特性，分析了蒙皮材料熱輻射特性和云層厚度對氣球熱特性的影響。Cathey[16]研究了高空氣球的熱力學(xué)環(huán)境，但未考慮大氣紅外輻射的影響。茆磊等[17]采用理論分析和試驗測定相結(jié)合的辦法對浮空器受到太陽輻射問題進(jìn)行了研究，建立了太陽直射輻射模型、天空散射輻射模型和地面反射輻射模型三個模型。程雪濤等[18]對低空浮空器進(jìn)行了熱數(shù)值分析，考慮多方面因素，建立了浮空器在地面的熱分析理論模型。劉四洋[19]利用傳熱學(xué)公式計算出氣囊與外界環(huán)境之間的平均對流換熱系數(shù)及收到的外界輻射量，再借助CFD 方法進(jìn)行氣囊熱特性數(shù)值模巧，研究了氣囊在不同工況下的熱特性。Xing 等[20]建立了球體的上升過程和熱穩(wěn)態(tài)模型，并進(jìn)行了數(shù)值仿真，詳細(xì)分析了薄膜紅外特性對氣球熱性能的的影響分析，結(jié)果表明內(nèi)紅外輻射是影響球體熱特性的主要因素。徐亮等[21]對系留氣球整流罩的兩種典型散熱方案進(jìn)行了簡單的二維數(shù)值模擬計算，對比了兩種散熱方案的優(yōu)缺點，并針對不同使用環(huán)境提出建議。蘇彥華[22]用Fluent 軟件對三種整流罩形狀（方形、球形、球形修正）的系留氣球氣動性能進(jìn)行計算，分析了整流罩形狀對系留氣球阻力和流場的影響。通過對比浮空器熱特性研究的常見方法，可大致分為工程估算法和數(shù)值計算法。工程估算法利用經(jīng)典傳熱學(xué)理論結(jié)合大量經(jīng)驗公式獲得傳熱系數(shù)，并最終計算出總傳熱量，該方法優(yōu)勢是模型簡化便捷，但存在計算精度低、適用范圍小等不足；數(shù)值計算法是基于CFD 和數(shù)值傳熱等多學(xué)科的結(jié)合，利用計算機求解簡化和離散化的數(shù)學(xué)方程獲得近似解，能處理各種復(fù)雜流動和傳熱問題。

文中在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，考慮到目前普遍采用的單側(cè)集總參數(shù)法無法實時雙向耦合計算，且實際浮空器蒙皮的溫度和流場不均，可能導(dǎo)致計算結(jié)果產(chǎn)生較大偏差的問題，采用Fluent 結(jié)合編制UDF 同時實現(xiàn)整流罩外部對流、外部太陽輻射和內(nèi)部對流、內(nèi)部紅外輻射的實時耦合計算求解（雙向耦合），可以得到更加準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。對于近地空間浮空器負(fù)荷的電子通信設(shè)備熱環(huán)境控制具有一定的參考意義。

1 計算模型

1.1 物理模型

建立的模型為類水滴形整流罩，體積約為1100 m3。整流罩內(nèi)含由雷達(dá)陣面、高頻箱、排氣口等組成的簡易雷達(dá)模型作為整流罩內(nèi)的唯一的發(fā)熱設(shè)備，利用成熟商用軟件Fluent 進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)流動和傳熱分析，建立整流罩外流場和整流罩內(nèi)部計算模型，如圖2 所示。在外流場邊界設(shè)置定向風(fēng)速，并在任務(wù)設(shè)備內(nèi)部增加換熱器和風(fēng)扇模型強制對流換熱，同時耦合外界太陽輻射和整流罩紅外輻射模型，可以真實地模擬整流罩的散熱情況。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

1.2 整流罩對流輻射模型

整流罩在近地高空中時，能量傳遞的方式主要為對流和輻射兩種方式。具體可以分為太陽直射、云層散射輻射、紅外輻射、整流罩內(nèi)外對流換熱及雷達(dá)發(fā)熱輸入熱能。當(dāng)整流罩處于穩(wěn)態(tài)時，根據(jù)能量守恒可以得到：

式中：qs-r為整流罩吸收的太陽的直接輻射；qe-r為整流罩吸收的地球反射輻射；qe-ir為被整流罩吸收的地球紅外輻射；qc-ir是吸收的云層的紅外輻射；qr是整流罩向外輻射的熱能；qin是整流罩內(nèi)攜帶的發(fā)熱設(shè)備的輸入熱能；qin-conv表示內(nèi)部對流換熱；qout-conv表示整流罩外表面與環(huán)境空氣對流換熱。具體計算公式可參考陶文銓《傳熱學(xué)》及文獻(xiàn)[23-24]。

1.3 數(shù)值方法

流體的流動遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律，控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

式中： p 為靜壓力；ρgi是重力體積力；iF 為其他體積力，也可以表示為自定義源項。

能量守恒方程：

式中忽略了其他體積熱源項，通過求解能量守恒方程，可以計算流-固-熱的傳熱問題。以上方程組為數(shù)值計算的控制方程，通過商業(yè)軟件FLUENT 的求解器進(jìn)行求解。

1.4 邊界條件

任務(wù)設(shè)備發(fā)熱量約為25 kW，環(huán)境溫度不大于50 ℃，自身冷卻風(fēng)量為7500 m3/h。外流場入口處風(fēng)速設(shè)為3 m/s，出口為壓力出口。實際計算時外流場采用k-omega SST 湍流模型，增加了橫向耗散導(dǎo)數(shù)項，并在黏度定義中添加了湍流剪切應(yīng)力的運輸過程。囊體內(nèi)外表面紅外輻射采用了DO 模型，可計算所有光學(xué)厚度的輻射問題，同時還耦合了Fluent 自帶太陽射線模型、內(nèi)熱源和風(fēng)扇模型，實現(xiàn)系留氣球整流罩的散熱數(shù)值仿真。為了保證任務(wù)設(shè)備正常工作，要求整流罩內(nèi)空氣溫度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，計算邊界條件和囊體材料特性數(shù)據(jù)見表1，外界風(fēng)速為統(tǒng)計最小值，環(huán)境溫度為高溫極值，太陽輻射為最大時段。

表1 邊界條件與材料物性Tab.1 Boundary conditions and material properties

2 計算結(jié)果與分析

3000 m-3 m/s 典型流場、溫度場、太陽輻射和流線圖見圖3，各計算工況數(shù)據(jù)見表2。由數(shù)據(jù)可知，3000 m-3 m/s 高度，在整流罩進(jìn)氣口質(zhì)量流量為1.0 kg/s 時，整流罩內(nèi)部維持在39～40 ℃；6000 m-3 m/s 高度，在整流罩進(jìn)氣口質(zhì)量流量為0.5 kg/s 時，整流罩內(nèi)部維持在25.5～26 ℃。

圖3 計算結(jié)果Fig.3 Calculation results: a) flow field distribution; b) temperature distribution in windscreen;c) temperature flow line in windscreen; d) solar radiation distribution outside windscreen

表2 各工況計算結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.2 Calculation result data under each condition

對比表2 中兩種工況下整流罩的仿真計算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

按最嚴(yán)酷狀態(tài)進(jìn)行分析，在3000 m 和6000 m 工作高度開通風(fēng)口引入外界空氣向整流罩內(nèi)強制通風(fēng)對流，整流罩內(nèi)平均溫度分別為40.1 ℃和25.8 ℃，整流罩內(nèi)溫度環(huán)境滿足任務(wù)設(shè)備工作要求。該結(jié)論表明，在任務(wù)設(shè)備底部的整流罩外殼上設(shè)置通風(fēng)口，同時在整流罩頂部和后部開設(shè)排氣口，可以有效促進(jìn)整流罩內(nèi)空氣強制對流，對于雷達(dá)散熱具有明顯作用。

系留氣球從3000 m 上升至6000 m 高度，環(huán)境溫度從25 ℃下降至-2.6 ℃，整流罩向環(huán)境損失的熱量從68.8 kW 增加至72.7 kW。此時任務(wù)設(shè)備散熱所需引入外界通風(fēng)量相應(yīng)減少，低溫環(huán)境空氣質(zhì)量流量從1.0 kg/s 下降至0.5 kg/s；

系留氣球從3000 m 上升至6000 m 高度，整流罩外表面對流換熱量增加近1 倍，成為整流罩內(nèi)雷達(dá)散熱的主要途徑。該仿真結(jié)論表明，隨著浮空器高度增加，空氣密度相對于地面空氣變小，熱特性發(fā)生變化，但對流散熱仍是最高效的散熱方式。不論是保溫或散熱，都應(yīng)優(yōu)先考慮對流換熱影響。

3 結(jié)論

文中涉及的仿真計算方法和結(jié)論可為同類型系留氣球和近地空間浮空器的整流罩散熱、保溫設(shè)計提供參考。通過Fluent 數(shù)值計算快速地獲得系留氣球整流罩在各高度、環(huán)境條件下的散熱情況，并可直觀地獲得整流罩內(nèi)任意位置的流場和溫度場分布，為整流罩及內(nèi)部任務(wù)設(shè)備的熱設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。通過編制UDF，同時實現(xiàn)整流罩外部對流、外部太陽輻射和內(nèi)部對流、內(nèi)部紅外輻射的實時耦合計算（雙向耦合），不僅更加貼近實際狀態(tài)，計算精度更高，也可用于飛艇艇體、熱氣球囊體、高空設(shè)備艙等設(shè)備的熱特性分析，具有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。