平流层飞艇热力学建模与仿真研究

文章基于对飞艇热状况形成机制的分析,建立了针对临近空间飞艇的热力学模型,主要有对流换热数学模型和辐射换热数学模型,并编写了热特性仿真计算软件,对飞艇在巡航阶段艇内气体温度变化进行仿真分析。结果显示:平流层飞艇氦气平均温度的变化主要受太阳辐射强度的影响,夜晚较低,白天较高,温差约为55℃;副气囊空气温度的变化趋势基本与氦气一致,且氦气和空气最大超热都超过40℃。     

尾缘开缝透平叶片内流动传热特性研究

采用带转捩的SSTk-ω湍流模型,计算获得了不同来流条件和冷气质量流量比条件下,尾缘开缝透平叶片内的总压损失和传热系数,分析了尾缘开缝结构对叶片表面流动传热性能的影响,并与实验数据进行对比,验证了数值方法的有效性和精度。计算结果表明:与常规叶片相比,尾缘开缝叶片在冷气质量流量比为1.3%、2.6%和5.2%时,叶片吸力面喉部区域压力系数分别增大了0.1、0.15和0.2左右,出口气流角分别增大了0.3°、0.4°和0.5°左右;尾缘开缝结构对叶片表面对流换热系数的影响区域主要位于吸力面喉部下游,与冷气质量流量比为1.3%的工况相比,尾缘开缝叶片在冷气质量流量比为2.6%和5.2%时,叶片尾缘吸力面侧对流换热系数分别增大了3%和5%左右;开缝壁面上压力及对流换热系数均随着冷气质量流量比的增大逐渐增大,但当冷气流量一定时,在不同主流雷诺数条件下,开缝壁面上的对流换热系数基本一致;冷气质量流量比为1.3%和2.6%时,尾缘开缝叶片总压损失比常规叶片高1%左右,当冷气质量流量比为5.2%时,主流总压损失低于常规叶片。     

小长径比张开式尾翼弹气动力三维数值模拟

基于有限体积法计算了一种具有小长径比、大展弦比张开式尾翼弹在有攻角超声速粘性流动时的气动特性,分析了该弹周围的流场特性。研究结果表明,该尾翼弹的阻力系数和升力系数均随着马赫数增大而减少,随攻角增大而增大,且呈线性变化;当马赫数从2增大到4时,攻角从4°增大到12°,压心位置变化范围占全弹长的10.3%。     

平流层飞艇太阳能电池热性能数值模型

平流层飞艇太阳能电池的温度对电池转化效率有着显著的影响;同时在正午时分可能对飞艇蒙皮以及内部浮升气体的温度造成不利的影响,并恶化飞艇的"超热"、"超压"现象。因此,很有必要对平流层飞艇太阳能电池热性能进行分析;但是相关研究却不是很全面。建立了平流层飞艇太阳能电池热性能分析数值模型,包括太阳能电池的太阳辐射模型、多层热传递模型。基于该数值模型,开发了MATLAB仿真程序。设计并开展了飞艇太阳能电池温度地面测试试验,对所建的热模型进行了验证。在研究过程中,分析了太阳能电池在一天内的温度变化情况。此外,详细讨论了日期、隔热层、太阳能电池外部封装层透波率以及风速等因素对于太阳能电池温度的影响。可以为平流层飞艇太阳能电池的设计提供有用的参考信息,为平流层飞艇热控制及热设计提供依据。     

面向有效载荷质量的平流层飞艇设计参数优化

最大有效载荷质量是衡量平流层飞艇设计方案优劣的重要指标,最大有效载荷质量与飞艇设计的许多因素相关联,为此建立平流层飞艇各性能指标估算模型,在此基础上,提出以飞艇最大有效载荷质量为优化目标,综合考虑浮重平衡、推阻平衡、能源平衡、材料强度等方面约束的平流层飞艇设计参数优化模型,并基于混沌粒子群算法进行实例计算.研究结果表明:设计平流层飞艇时以阻力最小、质量最轻等常见指标为优化目标不能反应飞艇适应任务的能力.此外,平流层飞艇的设计是一个各子系统紧密耦合、相互制约的求解过程,与基于经验值设计的参考方案相比,经过设计参数优化后的平流层飞艇最大有效载荷质量能增加50％.     

纵向涡强化片式散热器换热性能的数值分析

为提高油浸式变压器用片式散热器的综合换热性能,在散热器空气侧安装新型六边形翼涡流发生器,通过数值模拟研究涡流发生器的纵向间距、攻角以及形状对片式散热器换热性能的影响,并运用场协同原理从速度场和温度场相协同的角度阐述纵向涡强化换热的机理。结果表明：同等面积下六边形翼的阻力因子较矩形翼有所增大,但其努塞尔数的提高更加显著;当六边形翼C涡流发生器布置间距为60 mm、攻角45°时,速度矢量与热流矢量间的夹角最小,速度场和温度梯度场协同性最好,散热器综合换热性能最佳,比普通片式散热器的综合换热性能提高26.52%。     

风沙条件下颗粒对翼型流动分离的影响

运用延迟脱体涡模拟(delayed detached eddy simulation,DDES)技术对NREL S809三维翼型在洁净空气环境中和在不同直径颗粒环境下进行了数值模拟,由此预测了风沙环境下颗粒对翼型绕流分离的影响.研究结果表明:当攻角为8°时,DDES捕捉到了翼型吸力面的涡脱落现象,并且颗粒的加入显著地改变了翼型吸力面的涡脱规律,使得尾涡范围扩大、耗散更快,然而随着颗粒直径的增大,尾涡也逐渐恢复到接近洁净空气时的状态;当攻角较小(6°)时,翼型表面没有发生流动分离,颗粒的加入对流场的影响很小;当攻角较大(12°)时,颗粒对翼型绕流的影响也很小;不同攻角下颗粒对翼型升力系数有不同程度的影响.分析不同攻角下颗粒对翼型表面流动分离的影响规律表明:S809翼型绕流情况受颗粒影响最严重的攻角在7°~10°.     

前缘辅助小翼对风力机翼型气动性能的影响

基于SST k-ω模型,分析了前缘添加辅助小翼后,在2°～22°攻角下对主翼S809翼型的气动特性的影响.结果表明,在小攻角2°～6°下,主翼的升力减小,阻力增加,但当攻角达到8°时,前缘辅助小翼使得主翼升力增加,阻力减小,升阻比增大.通过分析主翼在10°、14°、18°和22°大攻角下的流动分离规律和增升机理,表明前...     

平流层飞艇光伏电池传热特性

太阳能是平流层飞艇的理想能源,其热特性与飞艇浮力,蒙皮强度息息相关。准确预测飞艇的温度场是飞艇设计的重要步骤,但现有研究缺乏对太阳能电池的热特性分析。本文提出了一种包括太阳辐射,天空、地面长波辐射,蒙皮红外辐射和对流换热的飞艇模型,将几何模型离散化,编写C++程序计算了和分析了光伏电池的转化效率,吸收率、发射率、热阻和飞艇朝向对飞艇热性能、光伏阵列输出功率的影响。结果表明,较大的光伏阵列转化效率,发射率和等效热阻有利于改善飞艇“超冷”和“超热”现象的改善。光伏电池的辐射特性对光伏电池和氦气温度的影响最大：吸收率从0.5增加到0.9,主氦气囊昼夜温差升高约11.2K,光伏电池最高温度升高约29.8K;发射率0.1增加到0.9,主氦气囊昼夜温差降低约15.3K,光伏电池最高温度降低约50.2K。本文计算结果为飞艇的热稳定性的优化提供参考。     

基于Gauss伪谱法的平流层飞艇上升段航迹规划

引入净浮力计算方法,完善了平流层飞艇航迹规划问题的数学模型,并通过对其飞行过程的分析,得出了模型的目标函数和约束条件.基于Gauss伪谱法对时间最少和能量最省2种情况下的平流层飞艇上升段航迹进行了规划.仿真结果表明,飞艇的最短上升时间为2 913.6 s, 在时间允许的情况下飞艇可以实现零耗能升空.仿真结果可为平流层飞艇的总体设计提供有益参考.