平流层飞艇热特性的数值模拟与分析

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 3.34MB 84 页 15积分
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摘 要
平流层飞艇在对地观测、红外遥感通信等诸多的领域有着十分广阔的应用前
景和非常大的发展潜力，对于平流层飞艇的研究已经成为了当前许多国家研究的
热点问题之一,若要保证其长期运行中的稳定性和易控制等性能，十分有必要对其
进行相应的热特性分析。对于平流层飞艇的热特性这类基础性的研究将会极大的
影响到飞艇的整体设计、飞行控制以及飞行预测的准确度等，是平流层飞艇研究
中亟待攻关的重要技术之一。本课题以平流层飞艇为研究背景，基于Linux操作系
统下的并行计算平台，运用Fluent6.3软件并结合UDF自编程，对平流层飞艇在不同
的复杂的热运行环境的相关热特性进行了数值模拟与分析。
本文首先分析了平流层的辐射以及对流等主要的特性,同时结合气象学和传
热学相关的知识分析了平流层飞艇热环境的复杂形成机制和诸多的影响因素。根
据本文所模拟的对象具有几何尺寸庞大、热边界条件复杂等特点，确立合适的数
值计算方法，并建立了相应的物理模型及网格划分系统，结合UDF自编程，引入
了飞艇外部非均匀的多项辐射和对流组成的复杂热边界条件。通过了网格无关性
验证，同时，进行了数值方法验证，所得的数值计算结果与文献中给出的实验数
据的对比分析，说明了编写的UDF以及选择的数值方法模拟平流层飞艇的热特性
是可行的。
通过数值模拟，首先获得了平流层飞艇的基本换热和流动特性，进而分析太
阳辐射、反照辐射、红外辐射等环境辐射以及对流等因素对平流层飞艇全天各个
时刻囊体表面温度、内部浮升气体温度、囊体内部的流场、气体密度等随时间的
变化规律；其次分析了飞艇运行环境中季节、工作纬度、风速的变化对其囊体内
浮升气体温度昼夜变化产生的影响；然后着重分析了飞艇飞行姿态（俯仰角、偏
航角）的变化以及对飞艇的热控效果有着直接影响的囊体表面材料热物性即囊体
材料的发射率、吸收率以及材料的吸收发射比的不同等因素造成的影响情况，并
重点建立了敷设有太阳能电池的飞艇的废热计算模型，对太阳能电池带来的废热
进行了相应的研究。
本文的数值模拟与分析结果，对于全面了解复杂热环境中的平流层飞艇的相
关热特性提供了必要的知识积累，同时，也为飞艇囊体材料的制备或者选择提供
一定的参考依据，为平流层飞艇的总体设计以及有关热性能方面的分析起到很好
的指导作用。
关键词 平流层飞艇，复杂热环境，材料辐射物性，太阳能电池废热， 数值模拟
ABSTRACT
Stratospheric airship has great application prospects and potential in the fields of
the earth observations，remote sensing , telecommunication services and so on. It has
received more and more attention for its potential applications. To ensure the long term
reliability, stability and control, it is necessary to carry on the thermal analysis. The
basic research of the thermal analysis will affect the airship structure design, flight
prediction and flight control, which is one of the key technologies of the stratospheric
airship study. In this paper, thermal characteristic of the stratospheric airship in different
complex thermal environment conditions are simulated and analyzed by choosing
Computational fluid dynamics software Fluent6.3 as flow solver on the Linux based on
parallel computing system combined with the UDF coding.
First of all, the convective and radiant thermal environment of the stratospheric
airship is analyzed. The heat transfer principle is employed to analyze the complex
mechanism governing the thermal status of the stratospheric airship and the main heat
influencing factors. Numerical simulation methods are chosen according to the
characteristic of the simulated target, which has large size complex thermal boundary
conditions and so on. Furthermore, the relevant physical model and calculation mesh
systems are constructed and the UDF codes are developed to solve the complicated
distribution of uniform temperature and heat flux on the airship surface. TGrid
independence was conducted and numerical method was verified. The comparison
shows that results of numerical simulation are in good agreement with the experimental
data published in literature. It be concluded that the meshing and the numerical
simulation methods with UDF codes of are reasonable.
Numerical simulation results show the heat transfer and flow principle. Based on
the results, the thermal effects on stratospheric airship were analyzed that include sun
radiation, albedo radiation, infrared radiation and others. The characteristics of
temperature of the buoyant gas, speed, density varied with the time and the effects of
the temperature of inside buoyant gas changes with the running environment (season,
operation latitude, wind speed) one day and night are also obtained. According to the
simulation results, the influence of the variations of flight attitude (angle of pitch and
yaw angle) and thermal performance caused by different thermal radiant properties of
envelope materials, such as absorptivity, emissivity and the ratio of absorptivity to
emissivity were studied in detail. Finally, this work stresses on establishing the waste
heat calculation model of the stratospheric airship with solar cells and doing some
research of the waste heat caused by solar cells.
The study in this work can be valuable reference for the further investigation of the
related thermal characteristics of stratospheric airship exposed to complicated thermal
environment. The results are also significantly useful for the envelope material selection,
the precondition of thermal control design and crucial to the development of
stratospheric airship.
Keywords: stratospheric airship, complicated thermal environment,
thermal radiant properties of envelope materials, waste heat of solar
cells, numerical simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .......................................................................................................... 1
§1.1 引言 ............................................................................................................... 1
§1.2 平流层飞艇特点及研究意义 ....................................................................... 1
§1.3 平流层飞艇的研究现状、发展水平及前景 ............................................... 2
§1.4 研究对象的主要特征 ................................................................................... 5
§1.5 主要研究内容 ............................................................................................... 6
第二章 基本概念与理论 ....................................................................................... 7
§2.1 平流层飞艇结构组成 ................................................................................... 7
§2.2 飞艇基本受力分析 ....................................................................................... 8
§2.3 平流层飞艇热环境形成机制与特性 ........................................................... 8
§2.3.1 平流层大气热环境 ................................................................................ 9
§2.3.2 平流层飞艇外部热环境 ...................................................................... 10
§2.3.3 平流层飞艇内部热环境 ...................................................................... 10
§2.3.4 平流层飞艇热状况的形成机制 .......................................................... 10
§ 2.3.5 辐射相关的基本概念以及数学模型 .................................................. 11
§ 2.3.6 对流传热相关的基本概念 .................................................................. 17
§ 2.4 本章小结 ..................................................................................................... 18
第三章 数值计算方法 ....................................................................................... 19
§ 3.1 计算传热简述 ............................................................................................. 19
§ 3.2 数值计算方法简介 ..................................................................................... 19
§ 3.3 控制方程 ..................................................................................................... 21
§ 3.3.1 控制方程的建立 .................................................................................. 21
§ 3.3.2 控制方程的离散 .................................................................................. 21
§3.4 对流换热数学模型 ...................................................................................... 23
§3.5 辐射模型 ...................................................................................................... 24
§ 3.5.1 辐射外热流模型 .................................................................................. 24
§3.5.2 内部表面辐射模型的选择 ................................................................... 25
§3.6 湍流的数值模拟方法简介 .......................................................................... 27
§ 3.6.1 直接数值模拟（DNS） ..................................................................... 28
§ 3.6.2 大涡模拟（LES） .............................................................................. 28
§ 3.6.3 Reynolds 平均法（RANS） ................................................................ 28
§ 3.6.4 湍流模型的选择 ................................................................................. 29
§ 3.7 计算域网格划分 ......................................................................................... 30
§ 3.8 用户自定义函数 UDF ................................................................................ 31
§ 3.9 本章小结 ..................................................................................................... 32
第四章 太阳辐射及大气环境影响下平流层飞艇热特性 ................................... 33
§ 4.1 物理模型 ..................................................................................................... 33
§ 4.2 计算网格 ..................................................................................................... 33
§ 4.3 边界条件 ..................................................................................................... 34
§ 4.4 网格无关性验证 ......................................................................................... 35
§ 4.5 计算方法验证 ............................................................................................. 36
§ 4.6 夏至日定点过程模拟 ................................................................................. 39
§ 4.6.1 飞艇囊体表面温度分布 ...................................................................... 39
§ 4.6.2 飞艇囊体内部温度分布 ...................................................................... 43
§ 4.6.3 局部温度沿轴向分布情况 .................................................................. 46
§ 4.6.4 飞艇囊体内部流场分布 ...................................................................... 46
§ 4.6.5 飞艇囊体内部气体密度分布 .............................................................. 48
§ 4.6.6 飞艇内部氦气体积变化估算 ............................................................. 50
§4.7 飞艇热特性的影响因素 .............................................................................. 50
§4.7.1 模型验证 ............................................................................................... 50
§4.7.2 季节的影响 ........................................................................................... 51
§4.7.3 工作纬度的影响 ................................................................................... 52
§4.7.4 风速的影响 ........................................................................................... 53
§ 4.8 本章小结 ..................................................................................................... 54
第五章 飞行姿态、囊体材料、太阳能电池废热对平流飞艇热特性的影响 ... 56
§ 5.1 飞艇姿态的影响 ......................................................................................... 56
§5.1.1 飞艇俯仰角的影响 ............................................................................... 56
§5.1.2 飞艇偏航角的影响 ............................................................................... 57
§ 5.2 材料辐射特性的影响 ................................................................................. 58
§5.2.1 发射率影响 ........................................................................................... 59
§5.2.2 吸收率影响 ........................................................................................... 60
§5.2.3 吸收发射比的影响 ............................................................................... 61
§5.3 太阳能电池废热的影响 ............................................................................. 62
§5.3.1 太阳能电池的热环境 ........................................................................... 63
§5.3.2 物理模型 ............................................................................................... 64
§5.3.3 数值方法 ............................................................................................... 64
§5.3.4 边界条件 ............................................................................................... 65
§5.3.5 计算结果分析 ....................................................................................... 66
§ 5.4 本章小结 ..................................................................................................... 69
第六章 结论与展望 ............................................................................................... 71
§6.1 结论 .............................................................................................................. 71
§6.2 展望 .............................................................................................................. 72
主要符号表 ............................................................................................................. 73
参考文献 ................................................................................................................. 75
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 引言
平流层是位于大气对流层和中间层之间，在这个区域中，空气非常的稀薄、
气流比较平稳、能见度比较高，同时平流层还具有水汽比较少、噪声很小、悬浮
颗粒物以及杂质等极少，垂直温度梯度很小的特点，尤其是它的电磁特性很好，
是理想中的可用于部署空中信息平台、无线中继通信和地球红外遥感监测的环境。
平流层飞艇的不断发展将会日益满足当今世界在移动通信、近地间观测、自
主微波遥感以及军用雷达等诸多领域对大型空间设备的迫切需求。传统的飞艇于
19 世纪中期问世，在 20 世纪 20～30 年代低空飞艇的发展达到了一个高峰时期，
先后出现了大量的军用和民用飞艇。其后一段时间由于飞机技术的不断发展以及
飞艇的相关关键技术出现一系列问题，致使飞艇的研究几十年以来基本是停滞未
前的状态。1994 年以后，对于飞艇的相关研究迅速升温，现如今伴随着航空发动
机技术、计算机科技水平、高性能复合材料、工艺加工技术等等的快速发展以及
相关航空理论知识研究的逐步完善，高性能飞艇的研究也重新的燃起了希望。由
于多项新型技术的运用，新研制的飞艇性能不断提升，结构更加合理装置更加完
备，用途在原有的基础上也更趋于多样化，最近十多年来，能够在高空长期滞空
驻留，一般多用于对地观测、通讯、中继以及导航等多种用途的长航时的平流层
飞艇概念也得到越来越多的关注[1]。
§1.2 平流层飞艇特点及研究意义
平流层飞艇具有一定特殊性的飞行器，它有别于飞行在平流层底部的飞机，
也不同于运行在低轨道上的卫星，它有别于其他的飞行器的最明显特征为依靠浮
力来提供升力它是一种轻于空气、能够操纵机动飞行的飞行器。它通常的飞行高
度在 20km 左右,能长时间在任意高度悬停并且滞空时间较长、可以维持全天候飞
行、垂直起降、载重能力很强，自身的能量损耗小，而且它造成的噪声与污染很
小、安全性高、雷达反射截面积较小等等。
所谓平流层信息平台指的是工作于平流层高度范围在 12km～45km 高空，同
时还具有准静止以及长航时等特点并且能够装载一定量的有效载荷的一个高空平
台[2]。平流层飞艇平台它作为一种相对低速或者静止悬浮的空中平台并且能够用于
执行多种任务但成本很低的共用平台，在图像采集、空间开发运用、通讯导航中
继、多种预警探测、地质勘探、导弹防御和电子信息对抗等诸多的领域平流层飞
艇的运用前景都十分广阔。在军事领域内，它作为一种比较廉价的通讯平台可以
平流层飞艇热特性的数值模拟与分析
2
很好的起到为我们提供一个长期预警的作用。在通用的民用领域，它可以进行地
球环境变化观测、气象数据探测以及对预先指定的地区进行环境破坏监控等等 [2]。
因此，平流层飞艇平台的进一步开发和研制受到多国相关领域科学工作者的青睐。
飞艇平台一般分类分为三种即软式、硬式和半硬式，平流层飞艇一般情况为
软式飞艇，由于飞艇自身重量的限制，其外部囊体的蒙皮和充放气囊体等主要材
料由是强度较大、自身重量相对较轻的薄膜组成，因此称其为软式飞艇。对于软
式飞艇而言，其囊体蒙皮的膜结构容易受到环境压力和温度变化的影响而发生变
形，因此，对于平流层飞艇一个很重要的问题是飞艇外部和艇体内部浮升气体的
热平衡控制。由于相关的热特性分析问题在平流层飞艇技术研究中的占据着举足
轻重的地位，参考文献[3]在推荐相关的飞艇研制路线图中给予了一些建议，在他
建议进行的五次相应的多方面演示试验中有两次都是专门用来作为热性能试验，
他还建议，非常有必要对平流层飞艇进行热研究，分析其热特性，从而建立相应
的热模型，对其进行热平衡的仿真，为平流层飞艇的飞行控制、囊体材料的制备
和选择、定点浮空控制、能源供给等其他多方面的设计提供参考依据和建议。
平流层飞艇的主要特点之一是可以维持长时间的定点滞空状态，虽然平流层
的大气流动是较为平稳的，但仍然是难于预料的。因此，要使得飞艇能够长期定
点滞空也是平流层飞艇设计过程中的需要解决的难点，这一难点给飞艇的自动控
制系统和能源供应系统的设计带来了很大的挑战。而要实现自动控制和稳定调节
都必须考虑到飞艇相关的热特性。另外，平流层飞艇只有能够保证长时间滞留才
能发挥更大的应用价值，长时间的能源供应是十分必要的，从目前的研究进展来
看大多主要的能源供应系统都是使用燃料电池加太阳能电池板，所以从能源供应
的角度出发，对飞艇热特性的相关研究以及热设计也成为平流层飞艇设计急需要
解决的问题。
综上所述，平流层飞艇的总体设计、以及运维都是庞大而又十分复杂的系统
工程，它涉及到的关键技术包括气象学、热力学与气动、材料工艺、动力与能源
以及飞行控制导航等方方面面。
§1.3 平流层飞艇的研究现状、发展水平及前景
由文献[4]知，世界上第一艘真正意义上的载人飞艇是 1852 年由 H.吉法德在
其国家法国制造出并且飞行成功的，从上第一艘载人飞艇问世至今，飞艇已经走
过了 160 年的曲折发展历程，在此期间，飞艇经历了探索性研究、各方面不断完
善、兴旺发展到达鼎盛时期、随后逐步衰败、又重新复兴等多个发展阶段。早期
研制的飞艇由于各方面条件和技术水平所限存在较多的而且是相对比较致命的缺
陷，例如，囊体中的浮升气体填充的是易燃的氢气，火灾的发生难以很好避免；
第一章 绪论
3
结构也比较脆弱，易导致事故频繁发生等等，使得飞艇在第二次世界大战结束之
后便陆续地退出现役[4]。到了 20 世纪七十年代，由于全球性的石油危机不断的发
生，石油价格因此暴涨，对于耗油量非常少而用途十分广的飞行器飞艇的需求又
重新提上日程。与此同时，从客观上促使了飞艇的再度浮出是自动控制技术、材
料科学与技术、电子科技等多领域科学技术的进步与快速发展，此时新型飞艇的
研制都是纷纷融汇了多种新科技、新理念，使得新型飞艇的各方面技术性能较老
式飞艇有了质的进步。
从普通的民用领域来看，飞艇较其他飞行器而言具备的许多特殊的优点，它
是通用航空的理想平台，可对森林防火进行监测，也能够用于木材的大批量输运、
还可以作为广告、电视转播、观光旅游平台等等。在军事领域里它是前期的预警
以及超视距飞行的理想平台，它基本上不需要过多的能源补给就能在高空定点驻
空数余日，同时它的内部空间也很大，也能携带大型相控阵雷达，用于跟踪掠海
飞行的、高速的、较小目标，还可携带自卫武器和较多的高端电子设备用于执行
一些特殊的、难度较高的任务。另外，即将成为海陆空三个领域联合作战信息中
枢的可装载许多尖端的探测、指挥、电子对抗以及通信系统和设备的预警艇可以
用来执行海岸线边境线的巡逻和救护任务等等。
近年来，不断对飞艇在军用领域和民用领域中的作用进行重新深入探讨和评
估的美、英、俄、德等多个国家，开始高度重视飞艇项目并重新对其进行全面设
计。进入 20 世纪 80 年代以来，美国实施了一系列的飞艇应用和发展方案其中包
括研制巡逻勤务飞艇（PACE）、早期预警飞艇（NWS）、海上舰只护送飞艇（NASP）；
英国飞艇工业公司对飞艇在军用领域和民用领域的应用研究起步比较早重视程度
非常高，它设计了特种可以发光的软式飞艇 A-60S(PIUS)、飞舟-100、哨 兵 1000/1240
等几种型号的飞艇，其军方在紧锣密鼓的研究开发它们在军事领域的新用途，另
外，该公司还设计了一种装备空对海搜索雷达、作战情报系统和火控系统等尖端
设备且与现代导弹驱逐舰长度相差无几的大型现代海军飞艇；德国研制了可承载
重量几百吨的大型货物并可以将其运送到 8000km以外的区域的 LZ-07号硬式飞艇；
俄罗斯开始涉足飞艇研制领域很早，其在 90 年代研制了科学静力-01/02 号软式飞
艇和半硬式多用途飞艇 A-30、三型燃气飞艇 AV-1R、AU-11/12 及两种遥控飞艇
RD-1.5/2.5；荷兰对飞艇的研制也极为重视，目前正实施军民两用的硬式飞艇研制
计划，该型飞艇的飞行高度可达 50km,留空时间达几个星期，覆盖范围较广达二百
多千米,能够发现巡航导弹等小型目标[5]。
轻于空气的高空飞艇它是由美国一家名为 Sky Station International(SSI)公司最
早提出的，在进入 2l 世纪以来，美国先后制定了一系列高空飞艇发展方案，如：
美国军方正在积极研制开发的一种新型的 V形飞艇项目，同时美国约翰斯·霍普金
斯大学也正研制一种一次性使用的，主要用于侦察使用的高空侦察飞艇，除此之
外，欧洲航天局联合英国兰德斯特朗气球公司、德国宇航公司和荷兰代尔夫理工
摘要：

摘要平流层飞艇在对地观测、红外遥感通信等诸多的领域有着十分广阔的应用前景和非常大的发展潜力，对于平流层飞艇的研究已经成为了当前许多国家研究的热点问题之一,若要保证其长期运行中的稳定性和易控制等性能，十分有必要对其进行相应的热特性分析。对于平流层飞艇的热特性这类基础性的研究将会极大的影响到飞艇的整体设计、飞行控制以及飞行预测的准确度等，是平流层飞艇研究中亟待攻关的重要技术之一。本课题以平流层飞艇为研究背景，基于Linux操作系统下的并行计算平台，运用Fluent6.3软件并结合UDF自编程，对平流层飞艇在不同的复杂的热运行环境的相关热特性进行了数值模拟与分析。本文首先分析了平流层的辐射以及对流等...

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