本申請(qǐng)涉及流動(dòng)換熱分析，具體涉及一種平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、平流層一般是指從對(duì)流層頂部至距離地面50km左右的大氣空間。在平流層的底部，大氣溫度基本不隨高度變化，晝夜溫差很?。欢诰嚯x地面20km以上的平流層內(nèi)，大氣溫度隨著高度的增加而升高。平流層氣象條件比較穩(wěn)定，大氣對(duì)流以水平流動(dòng)為主，適合飛行器的長(zhǎng)時(shí)定點(diǎn)飛行。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，平流層獨(dú)特的空間資源受到各國越來越多的重視，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、由于平流層空氣稀薄，飛艇體積一般都十分龐大，在飛艇駐空飛行過程中，其熱特性受外部環(huán)境熱源及換熱方式的影響極大，且表現(xiàn)出明顯的晝夜變化規(guī)律。平流層飛艇也因此被稱為熱飛行器。平流層飛艇的熱力學(xué)建模對(duì)其工作運(yùn)行的安全穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。目前，已經(jīng)建立有不同的平流層飛艇駐空環(huán)境熱力學(xué)模型。按照模型簡(jiǎn)化程度的不同，可分為節(jié)點(diǎn)模型和維度模型兩大類。節(jié)點(diǎn)模型是將飛艇的不同部件看作不同的換熱節(jié)點(diǎn)，考慮節(jié)點(diǎn)之間的熱傳遞。具體包括單節(jié)點(diǎn)模型、兩節(jié)點(diǎn)模型和多節(jié)點(diǎn)模型。零節(jié)點(diǎn)模型將飛艇簡(jiǎn)化為一個(gè)整體單節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)模型將飛艇蒙皮分為上下兩部分，而多節(jié)點(diǎn)模型則會(huì)將飛艇分成更多典型部分，例如將蒙皮上太陽能電池看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，考慮它的散熱。相比節(jié)點(diǎn)模型，維度模型拋棄節(jié)點(diǎn)傳熱，考慮實(shí)際飛艇的換熱。具體來說，一維模型描述飛艇徑向穩(wěn)態(tài)單向傳熱；二維模型將飛艇視為二維無限長(zhǎng)圓柱，同時(shí)考慮外部流動(dòng)風(fēng)速的影響；三維模型則完整考慮飛艇蒙皮與周圍環(huán)境的三維換熱。

3、然而，在目前平流層駐空飛艇熱力學(xué)建模技術(shù)與分析方法中，存在的不足主要包括：(1)節(jié)點(diǎn)模型將飛艇簡(jiǎn)化為多個(gè)節(jié)點(diǎn)，僅考慮節(jié)點(diǎn)傳熱，未關(guān)注內(nèi)外氣體流動(dòng)對(duì)飛艇換熱的影響；(2)維度模型在節(jié)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上考慮了飛艇內(nèi)外對(duì)流換熱，但是蒙皮壁面的對(duì)流換熱特性是由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，未考慮內(nèi)外實(shí)際流動(dòng)換熱特性，尤其是內(nèi)部浮升氣體的局部溫度特性；(3)對(duì)飛艇瞬態(tài)熱特性的研究需要考察飛艇蒙皮溫度和內(nèi)部浮升氣體溫度隨時(shí)間的晝夜變化，目前部分飛艇蒙皮三維溫度場(chǎng)的分析為穩(wěn)態(tài)模型，沒有考慮其隨時(shí)間變化的瞬態(tài)特征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述背景中的技術(shù)問題，本申請(qǐng)通過分析平流層飛艇駐空熱環(huán)境，理清飛艇的內(nèi)外耦合傳熱機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，建立了飛艇的三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型。模型將飛艇內(nèi)部氣體流動(dòng)、蒙皮表面換熱和外部氣體流動(dòng)耦合處理，克服了目前飛艇熱力學(xué)模型在處理蒙皮內(nèi)外對(duì)流換熱方面使用經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)致忽略局部流動(dòng)換熱特性、仿真考慮的影響因素不全面的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法，步驟包括：

3、通過分析平流層飛艇駐空熱環(huán)境，得到分析結(jié)果；

4、基于所述分析結(jié)果，構(gòu)建飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型；

5、利用所述飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型，完成飛艇的熱力分析。

6、優(yōu)選的，所述分析結(jié)果包括：外部輻射、蒙皮輻射以及對(duì)流換熱；其中，所述外部輻射包括：直接太陽輻射、漫射太陽輻射、反射太陽輻射以及紅外長(zhǎng)波輻射；蒙皮輻射包括：蒙皮外表面與外部大氣的輻射換熱、蒙皮外表面不同位置間的輻射換熱、蒙皮內(nèi)表面不同位置之間的輻射換熱，以及蒙皮內(nèi)表面與內(nèi)部填充氣體之間的輻射換熱；對(duì)流換熱包括：由蒙皮外表面與外部大氣的混合對(duì)流換熱以及蒙皮內(nèi)表面與內(nèi)部填充氣體之間的自然對(duì)流換熱。

7、優(yōu)選的，所述飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型為組合模型，包括：外部輻射熱源模型、蒙皮表面輻射模型及浮空器內(nèi)外對(duì)流模型。

8、優(yōu)選的，所述外部輻射熱源模型包括：太陽輻射熱載荷模型和長(zhǎng)波輻射熱載荷模型；所述太陽輻射熱載荷模型用于計(jì)算所述直接太陽輻射、所述漫射太陽輻射和所述反射太陽輻射的荷載；所述長(zhǎng)波輻射熱載荷模型用于計(jì)算所述紅外長(zhǎng)波輻射的荷載。

9、優(yōu)選的，使用udf對(duì)所述紅外長(zhǎng)波輻射和所述反射太陽輻射部分進(jìn)行模擬計(jì)算；具體步驟包括：計(jì)算出所述反射太陽輻射及所述紅外長(zhǎng)波輻射的熱載荷，并以體熱源的形式添加到飛艇模型的蒙皮上參與耦合計(jì)算。

10、優(yōu)選的，所述蒙皮表面輻射模型具體采用離散坐標(biāo)輻射模型，求解有限個(gè)離散立體角的輻射傳遞方程，并將所述輻射傳遞方程轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)下輻射強(qiáng)度的輸運(yùn)方程；之后，將在矢量方向上的所述輻射傳遞方程視為場(chǎng)方程求解。

11、優(yōu)選的，所述浮空器內(nèi)外對(duì)流模型基于考慮近壁面粘性作用的流動(dòng)控制方程，采用雷諾平均方法，求解獲得流動(dòng)的動(dòng)力特性與對(duì)流換熱特性。

12、優(yōu)選的，在計(jì)算飛艇的內(nèi)外對(duì)流換熱時(shí)，將蒙皮作為內(nèi)部氣體與外部氣體的交界面，進(jìn)行針對(duì)性處理；具體步驟包括：當(dāng)計(jì)算飛艇內(nèi)外對(duì)流時(shí)，將蒙皮作為固定無滑移壁面處理；當(dāng)計(jì)算飛艇換熱時(shí)，將蒙皮作為內(nèi)外氣體的換熱邊界，分別計(jì)算其內(nèi)表面與外表面的壁面熱流。

13、本申請(qǐng)還提供了一種平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)上述方法，包括：分析模塊、構(gòu)建模塊和結(jié)果生成模塊；

14、所述分析模塊用于通過分析平流層飛艇駐空熱環(huán)境，得到分析結(jié)果；

15、所述構(gòu)建模塊用于基于所述分析結(jié)果，構(gòu)建飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型；

16、所述結(jié)果生成模塊用于利用所述飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型，完成飛艇的熱力分析。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)的有益效果如下：

18、1.建立了飛艇的三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型，模型將飛艇內(nèi)部氣體流動(dòng)、蒙皮表面換熱和外部氣體流動(dòng)耦合處理，可以分析飛艇溫度的晝夜變化特征。

19、2.克服了目前飛艇熱力學(xué)模型在處理蒙皮內(nèi)外對(duì)流換熱方面使用經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)致忽略局部流動(dòng)換熱特性、影響因素考慮不全面的問題。

20、3.使用udf補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)了紅外長(zhǎng)波輻射部分的模擬計(jì)算，使太陽輻射模型與實(shí)際情況更加符合。

21、4.使用udf修正了太陽輻射模型中的地面及云層反射輻射部分，綜合考慮了不同地形和不同天氣對(duì)飛艇熱特性的影響，拓展了飛艇熱力學(xué)模型的適用范圍。

技術(shù)特征：

1.一種平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法，其特征在于，步驟包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法，其特征在于，所述分析結(jié)果包括：外部輻射、蒙皮輻射以及對(duì)流換熱；其中，所述外部輻射包括：直接太陽輻射、漫射太陽輻射、反射太陽輻射以及紅外長(zhǎng)波輻射；蒙皮輻射包括：蒙皮外表面與外部大氣的輻射換熱、蒙皮外表面不同位置間的輻射換熱、蒙皮內(nèi)表面不同位置之間的輻射換熱，以及蒙皮內(nèi)表面與內(nèi)部填充氣體之間的輻射換熱；對(duì)流換熱包括：由蒙皮外表面與外部大氣的混合對(duì)流換熱以及蒙皮內(nèi)表面與內(nèi)部填充氣體之間的自然對(duì)流換熱。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法，其特征在于，所述飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型為組合模型，包括：外部輻射熱源模型、蒙皮表面輻射模型及浮空器內(nèi)外對(duì)流模型。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法，其特征在于，所述外部輻射熱源模型包括：太陽輻射熱載荷模型和長(zhǎng)波輻射熱載荷模型；所述太陽輻射熱載荷模型用于計(jì)算所述直接太陽輻射、所述漫射太陽輻射和所述反射太陽輻射的荷載；所述長(zhǎng)波輻射熱載荷模型用于計(jì)算所述紅外長(zhǎng)波輻射的荷載。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法，其特征在于，使用udf對(duì)所述紅外長(zhǎng)波輻射和所述反射太陽輻射部分進(jìn)行模擬計(jì)算；具體步驟包括：計(jì)算出所述反射太陽輻射及所述紅外長(zhǎng)波輻射的熱載荷，并以體熱源的形式添加到飛艇模型的蒙皮上參與耦合計(jì)算。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法，其特征在于，所述蒙皮表面輻射模型具體采用離散坐標(biāo)輻射模型，求解有限個(gè)離散立體角的輻射傳遞方程，并將所述輻射傳遞方程轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)下輻射強(qiáng)度的輸運(yùn)方程；之后，將在矢量方向上的所述輻射傳遞方程視為場(chǎng)方程求解。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法，其特征在于，所述浮空器內(nèi)外對(duì)流模型基于考慮近壁面粘性作用的流動(dòng)控制方程，采用雷諾平均方法，求解獲得流動(dòng)的動(dòng)力特性與對(duì)流換熱特性。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法，其特征在于，在計(jì)算飛艇的內(nèi)外對(duì)流換熱時(shí)，將蒙皮作為內(nèi)部氣體與外部氣體的交界面，進(jìn)行針對(duì)性處理；具體步驟包括：當(dāng)計(jì)算飛艇內(nèi)外對(duì)流時(shí)，將蒙皮作為固定無滑移壁面處理；當(dāng)計(jì)算飛艇換熱時(shí)，將蒙皮作為內(nèi)外氣體的換熱邊界，分別計(jì)算其內(nèi)表面與外表面的壁面熱流。

9.一種平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，包括：分析模塊、構(gòu)建模塊和結(jié)果生成模塊；

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)公開了一種平流層飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)的分析方法及系統(tǒng)，其中方法步驟包括：通過分析平流層飛艇駐空熱環(huán)境，得到分析結(jié)果；基于分析結(jié)果，構(gòu)建飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型；利用飛艇三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型，完成飛艇的熱力分析。本申請(qǐng)建立了飛艇的三維瞬態(tài)熱力學(xué)內(nèi)外耦合傳熱模型，模型將飛艇內(nèi)部氣體流動(dòng)、蒙皮表面換熱和外部氣體流動(dòng)耦合處理，可以分析飛艇溫度的晝夜變化特征。同時(shí)，克服了目前飛艇熱力學(xué)模型在處理蒙皮內(nèi)外對(duì)流換熱方面使用經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)致忽略局部流動(dòng)換熱特性、影響因素考慮不全面的問題。此外，還使用UDF補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)了紅外長(zhǎng)波輻射部分、修正了太陽輻射模型的模擬計(jì)算，使其與實(shí)際情況更加符合。

技術(shù)研發(fā)人員：郭京輝,林貴平,田宇豪,魏宇辰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2