Please wait a minute...
浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (1): 202-212    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.01.024
航空航天技术     
平流层飞艇热敏感因素分析
程晨(),王晓亮*()
上海交通大学 航空航天学院，上海 200240
Thermal sensitivity factors analysis of stratospheric airships
Chen CHENG(),Xiao-liang WANG*()
School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China
 全文: PDF(5001 KB)   HTML
摘要：

以平流层飞艇为研究对象，建立飞艇热特性模型并分析主要的热影响因素. 通过有限拆分法，建立完整的平流层飞艇热特性模型. 为了使建立的热模型能够适用于不同类型的飞艇，将其外形建模和表面离散化处理，分别采用分布参数法和集总参数法，对蒙皮单元和内部填充气体进行热特性数值计算. 通过相关试验数据对建立的模型及其求解方法的可靠有效性进行验证. 分别计算8种不同热影响因素作用下飞艇表面蒙皮温度及内部填充气体温度的变化，对每种因素的影响规律进行定性和定量的分析，得到飞艇热特性的主要敏感因素及不敏感因素，归纳出飞艇蒙皮出现极值温度的条件. 比较不同热源对飞艇热特性的影响和规律，给出飞艇热特性模型中的可简化部分.
关键词： 飞艇;  影响因素;  热特性;  平流层    
Abstract:

A thermal characteristics model of the airship was established and the main thermal influence factors were analyzed by taking stratosphere airship as the research object. A complete thermal model of the stratospheric airship was established with the finite split method. The shape was modeled and the surface was discretized in order to make the established thermal model applicable to different types of airships. The distribution parameter method and the lumped parameter method were used to calculate the thermal characteristics of the skin cell and the internal filling gas. The reliability and effectiveness of the established model and its solution method were verified by relevant experimental data. The changes in the surface temperature of the airship and the temperature of the internal filling gas under the influence of 8 different thermal influence factors were calculated, and the qualitative and quantitative effects of each factor were analyzed. The conditions for extreme temperature of the airship skin were summarized. The effects and laws of different heat sources on the thermal characteristics of airships were compared, and a simplified part of the thermal characteristics model of airships was given.
Key words: airship    sensitivity factors    thermal characteristics    stratosphere
收稿日期: 2018-11-20 出版日期: 2020-01-05
CLC:  V 274  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目（61733017）；上海市自然科学基金资助项目（18ZR1419000）
通讯作者: 王晓亮     E-mail: chen.cheng.sjtu@foxmail.com;wangxiaoliang@sjtu.edu
作者简介: 程晨（1994—），女，硕士生，从事浮空器热特性研究. orcid.org/0000-0003-4657-116X. E-mail： chen.cheng.sjtu@foxmail.com
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
作者相关文章　　
程晨
王晓亮

引用本文:

程晨,王晓亮. 平流层飞艇热敏感因素分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(1): 202-212.

Chen CHENG,Xiao-liang WANG. Thermal sensitivity factors analysis of stratospheric airships. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(1): 202-212.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.01.024    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I1/202

图 1  平流层飞艇热环境
图 2  圆柱体层流湍流转化分界点与瑞利数关系[21]
图 3  外部自然对流截面参数图示
换热方式 外部自然对流换热系数 努赛尔数
层流换热 ${h_{ {\rm{free\_ex} } } } = { {N{u_{\rm{D} } } \cdot { {{k} }_{ {\rm{air} } } }} / D}$ $N{u_{{D} } } = { {{C} }_{\rm{c} } } \cdot Ra_{{D} }^{ {1 / 4} }$
湍流换热 ${h_{ {\rm{free\_ex} } } } = { {N{u_x} \cdot { {{k} }_{ {\rm{air} } } }} / x}$ $N{u_x} = { {{C} }_{\rm{t} } } \cdot A(\theta ) \cdot Ra_x^{ {1 / 3} }$
表 1  层流及湍流对流换热系数及努赛尔数计算式
图 4  飞艇热分析流程图
图 5  不同网格数下飞艇热特性48 h内的变化
图 6  不同时间步长下飞艇热特性48 h内的变化
基本参数 参数值 基本参数 参数值
飞艇总长 1.42 m 太阳辐射热流 972 W/m2
中间圆柱直径 0.47 m 蒙皮发射率 0.81
蒙皮厚度 0.1 mm 太阳吸收比 0.45
表 2  文献[15]实验的基本几何参数
图 7  内部填充气体平均温度的计算值与实验值对比
基本参数 参数值 基本参数 参数值
飞行高度 20 000 m 表面单元个数 4 666
飞艇长度 50 m 飞艇最大直径 16 m
飞艇体积 6 704.5 蒙皮太阳辐射吸收率 0.33
蒙皮比热容 3 600 J/（kg·K） 蒙皮长波辐射吸收率 0.33
蒙皮发射率 0.8 初始时刻蒙皮温度 216.5 K
地球发射率 0.92 初始时刻浮升气体温度 216.5 K
表 3  飞艇的热敏感因素算例基本参数取值
图 8  不同太阳角度在不同季节的48 h内的变化
季节 最大温度 最大温度时段 最小温度 最小温度时段
春 289.86 K 9 h-15 h 193.3 K 19 h-5 h
夏 285.41 K 9 h-15 h 193.3 K 19 h-5 h
秋 289.12 K 9 h-15 h 193.3 K 19 h-5 h
冬 289.86 K 9 h-15 h 193.3 K 19 h-5 h
表 4  不同季节飞艇蒙皮的部分热特性指标
图 9  不同季节飞艇内部填充气体48 h内的温度变化
图 10  不同云层覆盖情况下浮升气体48 h内的温度变化
图 11  蒙皮最大超热随云层覆盖程度的变化
图 12  不同尺寸飞艇内部浮升气体48 h内的温度变化
图 13  内部气体达到最高温度时刻与飞艇尺寸的关系
图 14  最低超冷温度与飞艇尺寸的关系
图 15  不同空速时飞艇内部气体48 h内的温度变化
图 16  内部气体昼夜温差随空速的变化
图 17  蒙皮温度随来流速度的变化
图 18  不同纬度时飞艇内部气体48 h内的温度变化
图 19  不同经度时飞艇内部气体48 h内的温度变化
图 20  不同蒙皮厚度时飞艇内部气体48 h内的温度变化
图 21  飞艇不同内部填充气体48 h内的温度变化
图 22  热源对飞艇蒙皮热特性影响占比
图 23  简化模型与完整模型内部填充气体温度变化图
图 24  春季12 h主要热源及蒙皮温度云图
1 STEFAN K. Thermal effects on a high altitude airship [C]// Lighter-than Air Conference. California: AIAA, 1983: 94-100.
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 Xian-de, WANG Wei-zhi, LI Xiao-jian Preliminary discussion on thermal simulation of stratospheric airship[J]. Space Return and Remote Sensing, 2007, 28 (2): 5- 9
doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2007.02.002
3 徐向华, 程雪涛, 梁新刚 平流层飞艇的热数值分析[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2009, 49 (11): 1848- 1851
XU Xiang-hua, CHENG Xue-tao, LIANG Xin-gang Thermal numerical analysis of stratospheric aerostats[J]. Journal of Tsinghua University: Natural Science Edition, 2009, 49 (11): 1848- 1851
4 XIA X, LI D, SUN C, et al Transient thermal behavior of stratospheric balloons at float conditions[J]. Advances in Space Research, 2010, 46 (9): 1184- 1190
doi: 10.1016/j.asr.2010.06.016
5 YAO W, LU X, WANG C, et al A heat transient model for the thermal behavior prediction of stratospheric airships[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 70: 380- 387
doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.05.050
6 CARLSON L A, HORN W J New thermal and trajectory model for high-altitude balloons[J]. AIAA Paper, 1981, 20 (6): 500- 507
7 FARLEY R E. BalloonAscent: 3-D simulation tool for the ascent and float of high-altitude balloons [C]// AIAA 5th ATIO and 16th Lighter-Than-Air System Technology and Balloon Systems Conferences. Arlington, Virginia: AIAA, 2005.
8 DAI Q, FANG X, LI X, et al Performance simulation of high altitude scientific balloons[J]. Advances in Space Research, 2012, 49 (6): 1045- 1052
doi: 10.1016/j.asr.2011.12.026
9 ZHENG W, ZHANG X, 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
10 GARDE G. Thermal modeling of NASA's super pressure pumpkin balloon [C]// AIAA Balloon Systems Conference. Williamsburg, Virginia, USA: AIAA, 2007.
11 刘东旭, 杨永强, 吕明云, 等 蒙皮热辐射特性对平流层飞艇氦气温度影响[J]. 北京航空航天大学学报, 2010, 36 (7): 836- 840
LIU Dong-xu, YANG Yong-qiang, LV Ming-yun, et al Effect of skin heat radiation characteristics on helium temperature of stratospheric aerostats[J]. Journal of Beijing Aerospace University, 2010, 36 (7): 836- 840
12 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 Ting-ting, MA Zhen-yu, YANG Xi-xiang, et al Analysis of the influence of solar cells on the thermal characteristics of stratospheric airship[J]. Journal of Astronautics, 2018, 39 (1): 35- 42
13 戴秋敏. 飞艇热环境与热特性研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2014.
DAI Qiu-min. Study on thermal environment and thermal characteristics of aerostats [D]. Nanjing: Nanjing Aerospace University, 2014.
14 HARTMANN D L. Global physical climatology [M]. [S. l.]: Academic Press, 1994.
15 李德富. 平流层飞艇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 De-fu. Thermal characteristics and dynamic effects of stratospheric aerostats [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011.
16 ROHSENOW W M. Handbook of heat transfer fundamentals [M]. 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1985.
17 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2007.
18 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 (08): 265- 315
19 李小建. 临近空间飞艇热-结构耦合数值模拟研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2013.
LI Xiao-jian. Numerical simulation of thermal-structure coupling of spacecraft near space [D]. Nanjing: Nanjing Aerospace University, 2013.
20 CHEN K K, THYSON N A Extension of Emmons spot theory to flow on blunt bodies[J]. AIAA Journal, 2012, 9 (5): 821- 825
[1] 唐苇羽, 陈景祥, 韩锦程, 何燕, 李蔚, 刘志春. 不同强化换热管内流动沸腾换热特性对比[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(6): 1216-1222.
[2] 谢杰, 黄筱调, 方成刚, 周宝仓, 陆宁. 磨齿机电主轴热特性及热误差建模[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(2): 247-254.
[3] 李金文, 顾凯, 唐朝生, 王宏胜, 施斌. 生物炭对土体物理化学性质影响的研究进展[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(1): 192-206.
[4] 何宾, 肖新标, 周信, 金学松. 声屏障插入损失影响因素及降噪机理研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(4): 761-770.
[5] 阮方,钱晓倩,朱耀台,吴敏莉. 分室间歇用能对墙体内外保温节能效果的影响[J]. 浙江大学学报(工学版), 2016, 50(1): 1-7.
[6] 麦志彦,何中杰,汪雄海. 基于主影响因素的城市时用水量预测[J]. J4, 2012, 46(11): 1968-1974.
[7] 颜卫国,俞小莉,陆国栋,周健伟. 热管中冷器的传热与阻力特性[J]. J4, 2011, 45(1): 132-135.
[8] 胡宏伟 周晓军 杨先勇 宫燃. 离合器接合过程中抖动及其影响因素的分析[J]. J4, 2009, 43(3): 535-539.
[9] 方梦祥 宋长忠 沈德魁 骆仲泱 岑可法. 木材热解与着火特性试验研究[J]. J4, 2008, 42(3): 511-516.
[10] 李王鸣 王建正 葛丹东. 都市边缘区生态承载力变化及原因探讨——以杭州都市边缘区为例[J]. J4, 2008, 42(1): 39-43.
[11] 刘德华 金伟良 张玉香. 光纤传感器与结构基体的应变传递关系[J]. J4, 2006, 40(11): 1847-1851.
[12] 罗战友 龚晓南 王建良 王伟堂. 静压桩挤土效应数值模拟及影响因素分析[J]. J4, 2005, 39(7): 992-996.
[13] 洪荣华 朱华 王建新 石化彪. 切向漩流半开式热管稳态传热性能的实验研究[J]. J4, 2005, 39(7): 1043-1046.