上海交通大学学报 ›› 2021, Vol. 55 ›› Issue (7): 868-877.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.039
所属专题: 《上海交通大学学报》2021年“航空航天科学技术”专题; 《上海交通大学学报》2021年12期专题汇总专辑
收稿日期:
2019-02-15
出版日期:
2021-07-28
发布日期:
2021-07-30
通讯作者:
王晓亮
E-mail:wangxiaoliang@sjtu.edu.cn
作者简介:
程 晨(1994-),女,湖北省黄石市人,硕士生,从事浮空器热特性等研究
基金资助:
Received:
2019-02-15
Online:
2021-07-28
Published:
2021-07-30
Contact:
WANG Xiaoliang
E-mail:wangxiaoliang@sjtu.edu.cn
摘要:
以平流层飞艇为研究对象,在考虑飞艇表面蒙皮的透射特性以及内部填充气体对辐射的吸收率与发射率的基础上,推导出飞艇表面蒙皮及内部填充气体的热力学方程.通过有限拆分法建立了考虑蒙皮透射率的飞艇热力学仿真模型,并分析比较了典型蒙皮材料下飞艇的热力学特性.通过将飞艇外形建模和表面离散化处理,针对每个单元和内部填充气体进行瞬态热特性数值计算,分析了仿真模型中网格划分及时间步长对计算结果的影响.通过相关实验数据对所建立的模型及其求解方法的可靠有效性进行了验证,分析比较了不同特性蒙皮材料的飞艇热特性及其变化规律.
中图分类号:
程晨, 王晓亮. 考虑蒙皮透射率的飞艇热力学模型及其热特性[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(7): 868-877.
CHENG Chen, WANG Xiaoliang. Thermal Dynamic Model and Thermal Characteristics of Airships Considering Skin Transmittance[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2021, 55(7): 868-877.
表2
算例基本输入参数
参数 | 取值 | 参数 | 取值 |
---|---|---|---|
飞艇长度/m | 50 | 蒙皮密度/(kg·m-3) | 180 |
飞艇最大直径/m | 16 | 蒙皮的比热容/(J∙kg-1∙K-1) | 3600 |
飞艇体积/m3 | 6704.5 | 空气热导率/(J∙kg-1∙K-1) | 0.026 |
飞艇表面积总和/m2 | 2049.7 | 重力加速度/(m·s-2) | 9.81 |
飞艇水平面投影面积/m2 | 628.32 | 太阳常数/(W·m-2) | 1367.0 |
飞行高度/km | 20 | 蒙皮材料太阳辐射吸收率 | 0.001 |
日期(积日) | 81 | 蒙皮内表面红外发射率 | 0.031 |
飞行经度 | 124°E | 蒙皮外表面红外发射率 | 0.031 |
地区标准时间位置经度 | 121°E | 地球及云层反射率 | 0.4 |
飞行纬度 | 30°N | 地球表面发射率 | 0.92 |
初始时刻蒙皮及填充气体温度/K | 216.5 | 大气等效发射率 | 0.85 |
来流速度/(m·s-1) | 4.8055 | 地球等效温度/K | 255 |
蒙皮厚度/m | 0.0005 |
表3
文献[16]实验基本几何参数
参数 | 取值 | 参数 | 取值 |
---|---|---|---|
表面单元数/个 | 3207 | 蒙皮厚度/m | 0.0001 |
飞艇长度/m | 1.42 | 蒙皮密度/(kg·m-3) | 1500 |
飞艇最大直径/m | 0.47 | 蒙皮的比热容/(J·kg-1·K-1) | 5310 |
飞艇体积/m3 | 0.219191 | 空气热导率/(J·kg-1·K-1) | 0.026 |
飞艇表面积总和/m2 | 2.09 | 重力加速度/(m·s-2) | 9.81 |
环境温度/K | 286.95 | 蒙皮材料太阳辐射吸收率 | 0.45 |
外部大气密度/(kg·m-3) | 1.225 | 蒙皮内表面红外发射率 | 0.81 |
初始时刻蒙皮温度/K | 286.95 | 蒙皮外表面红外发射率 | 0.81 |
初始时刻填充气体温度/K | 286.95 | 地球反射率 | 0.035 |
填充气体种类 | 空气 | 太阳高度角/(°) | 90 |
太阳辐射热流/(W·m-2) | 972 | 太阳方位角/(°) | 0 |
表4
蒙皮材料热辐射特性
参数 | 透明 材料 | 半透明 材料 | 不透明 材料 |
---|---|---|---|
蒙皮材料的太阳辐射吸收率 | 0.001 | 0.1655 | 0.33 |
蒙皮材料的太阳辐射反射率 | 0.114 | 0.392 | 0.67 |
蒙皮材料的太阳辐射透射率 | 0.885 | 0.4425 | 0 |
蒙皮材料外表面的红外辐射吸收率 | 0.031 | 0.4155 | 0.8 |
蒙皮材料外表面的红外辐射反射率 | 0.127 | 0.1635 | 0.2 |
蒙皮材料外表面的红外辐射透射率 | 0.842 | 0.421 | 0 |
蒙皮材料内表面的红外辐射发射率 | 0.031 | 0.4155 | 0.8 |
蒙皮材料外表面的红外辐射发射率 | 0.031 | 0.4155 | 0.8 |
氦气的太阳及红外辐射吸收率 | 0.028 | 0.028 | 0.028 |
[1] |
WU J T, XIA D F, WANG Z G, et al. Thermal modeling of stratospheric airships[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2015, 75:26-37.
doi: 10.1016/j.paerosci.2015.04.001 URL |
[2] | 方贤德, 王伟志, 李小建. 平流层飞艇热仿真初步探讨[J]. 航天返回与遥感, 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. | |
[3] | 徐向华, 程雪涛, 梁新刚. 平流层浮空器的热数值分析[J]. 清华大学学报(自然科学版), 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. | |
[4] | GARDE G. Thermal modeling of NASA’s super pressure pumpkin balloon [C]// AIAA Balloon Systems Conference. Reston, Virginia: AIAA, 2007. |
[5] | 戴秋敏. 浮空器热环境与热特性研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2014. |
DAI Qiumin. Study on thermal environment and thermal characteristics of airships[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014. | |
[6] | 刘婷婷, 麻震宇, 杨希祥, 等. 太阳电池对平流层飞艇热特性的影响分析[J]. 宇航学报, 2018, 39(1): 35-42. |
LIU Tingting, MA Zhenyu, YANG Xixiang, et al. Influence of solar cells on thermal characteristics of stratospheric airship[J]. Journal of Astronautics, 2018, 39(1): 35-42. | |
[7] | FARLEY R. BalloonAscent: 3-D simulation tool for the ascent and float of high-altitude balloons [C]// AIAA 5th ATIO and16th Lighter-Than-Air Sys Tech and Balloon Systems Conferences. Reston, Virginia: AIAA, 2005. |
[8] |
KAYHAN Ö, HASTAOGLU M A. Modeling of stratospheric balloon using transport phenomena and gas compress-release system[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2014, 28(3): 534-541.
doi: 10.2514/1.T4271 URL |
[9] |
YAO W, LU X C, WANG C, et al. A heat transient model for the thermal behavior prediction of stratospheric airships[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 70(1): 380-387.
doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.05.050 URL |
[10] |
DAI Q M, XIA D F, LI X J, et al. Performance si-mulation of high altitude scientific balloons[J]. Advances in Space Research, 2012, 49(6): 1045-1052.
doi: 10.1016/j.asr.2011.12.026 URL |
[11] |
ZHENG W, ZHANG X Y, MA R, et al. A simplified thermal model and comparison analysis for a stratospheric lighter-than-air vehicle[J]. Journal of Heat Transfer, 2018, 140(2): 022801.
doi: 10.1115/1.4037194 URL |
[12] | 赵攀峰, 李大鹏, 谭百贺, 等. 平流层飞艇热力学建模与仿真研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2013, 36(4): 501-505. |
ZHAO Panfeng, LI Dapeng, TAN Baihe, et al. Thermodynamic modeling and simulation of stratospheric airship[J]. Journal of Hefei University of Technology (Natural Science), 2013, 36(4): 501-505. | |
[13] |
CARLSON L A, HORN W J. New thermal and trajectory model for high-altitude balloons[J]. Journal of Aircraft, 1983, 20(6): 500-507.
doi: 10.2514/3.44900 URL |
[14] | 李小建. 临近空间浮空器热—结构耦合数值模拟研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2013. |
LI Xiaojian. Numerical simulation of thermal-structure coupling for near space airship[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013. | |
[15] | 张贺磊, 方贤德, 戴秋敏. 蒙皮材料对浮空器热特性影响的研究[J]. 航空计算技术, 2016, 46(3): 41-45. |
ZHANG Helei, FANG Xiande, DAI Qiumin. Investigation on impact of skin material on thermal characteristics of stratospheric aerostat[J]. Aeronautical Computing Technique, 2016, 46(3): 41-45. | |
[16] | 李德富. 平流层浮空器的热特性及其动力学效应研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2011. |
LI Defu. Thermal behavior and its dynamic effects on stratospheric aerostats[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011. | |
[17] | 张涛, 孙冰. 复杂结构角系数计算方法[J]. 航空动力学报, 2009, 24(4): 753-759. |
ZHANG Tao, SUN Bing. Numerical computation of view factor of complicated configuration[J]. Journal of Aerospace Power, 2009, 24(4): 753-759. | |
[18] | 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006. |
YANG Shiming, TAO Wenquan. Heat transfer[M]. Beijing: High Education Press, 2006. | |
[19] |
CHEN K K, THYSON N A. Extension of Emmons’spot theory to flows on blunt bodies[J]. AIAA Journal, 1971, 9(5): 821-825.
doi: 10.2514/3.6281 URL |
[20] | HOLMAN J P. Heat Transfer[M]. New York: McGraw-Hill, 2002. |
[21] | RAITHBY G D, HOLLANDS K G T. A general method of obtaining approximate solutions to laminar and turbulent free convection problems[J]. Advances in Heat Transfer, 1975, 11:265-315. |
[1] | 赵忠良, 李浩, 赖江, 杨海泳, 王晓冰, 李玉平. 导弹模型直气复合气动特性研究[J]. 空天防御, 2022, 5(3): 1-9. |
[2] | 张宇, 王晓亮. 基于显式动力学的软式飞艇流固耦合计算框架[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(3): 311-319. |
[3] | 邓小龙, 麻震宇, 杨希祥, 朱炳杰. 基于多层节点模型的平流层浮空器热力学分析[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(7): 765-770. |
[4] | 王飞, 丁伟, 邓德衡, 吴小峰. 水下多缆多体拖曳系统运动建模与模拟计算[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(5): 441-450. |
[5] | 李意,陈务军,高成军,王雪明,何巍. 考虑裁切效应飞艇囊体模型充气数值模拟与试验[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(3): 277-284. |
[6] | 张云浩,阿力木·安外尔,米翔,张大旭,陈务军,鲁国富,张金奎. 短期老化与折皱损伤对飞艇囊体材料空气泄漏性能的影响[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(11): 1189-1199. |
[7] | 郭军,陈作钢,戴原星,陈建平. 喷水推进器进流面获取方法及其应用[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(1): 1-9. |
[8] | 张强,朱彦楠,陶建峰,王旭永. 基于热特性的凸轮转子叶片马达密封间隙优化[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(6): 647-653. |
[9] | 郭春雨1,刘恬1,赵庆新1,郝浩浩2. 短波中标称伴流场特性分析[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2019, 53(2): 170-178. |
[10] | 闫棣, 苏祺, 李四平. 屈曲问题有限元模拟的随机缺陷法[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(1): 19-25. |
[11] | 魏伟, 王心亮, 唐平鹏, 陈虹. 水下爬游机器人坐底稳定性分析[J]. 海洋工程装备与技术, 2018, 5(增刊): 305-308. |
[12] | 顾娟,黄荣宗,刘振宇,吴慧英. 不同热边界条件下微通道内气体的流动与传热特性[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2018, 52(9): 1038-1043. |
[13] | 韩玎,王晓亮,陈丽,段登平. 含滤波的改进自适应反演控制器在飞艇中的应用[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2017, 51(8): 909-914. |
[14] | 陈思,马宁,顾解忡. 基于弱非线性假定的船舶波浪增阻数值计算[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2017, 51(3): 277-. |
[15] | 王健a,刘旌扬a, b,魏成柱a,易宏a, b. 新概念无人穿梭艇静水操纵性能[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2017, 51(3): 288-. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||