平流层浮空器的热数值分析

平流层浮空器的热问题对于其设计和运行控制都有很重要的影响。该文建立了单气囊的浮空器热分析模型,给出了辐射外热流的模型和计算方法,利用CFD软件对气囊的昼夜温度波动进行了数值模拟。模拟结果给出了气囊内部温度的波动幅度(算例中的内部气体昼夜温差约为44K)、蒙皮的温度分布以及内部的流动状态。结果表明:在平流层浮空器的热分析中可以不用求解浮空器内部自然对流,而将其作为固体导热问题来处理,因而为进一步的研究提供了一个更为简化的数值分析模型。     

高空科学气球下降过程航迹与热性能耦合分析

考虑高空科学气球动力学与热力学耦合关系,研究分析下降过程飞行航迹与内部氦气热性能.建立高空科学气球热模型和下降过程动力学模型,包括太阳辐射模型、红外辐射模型、对流换热模型等,仿真得到了某高空气球下降过程高度、速度等飞行航迹参数和氦气体积、温度等热性能参数,分析了参数变化规律与变化原因.研究结果表明,高空气球下降过程存在严重超热现象,超热状态变化导致下降速度变化,下降速度变化又导致超热状态改变;下降初始阶段氦气排放质量对下降速度、下降时间和超热状态均存在重要影响.     

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。     

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℃。     

现代浮空器军事应用

 现代浮空器在军事应用中最成熟、最普遍的是系留气球。本文介绍了系留气球相对于其他飞行器的优势,梳理了系留气球在军事应用中的主要作用,列举国外典型的系留气球系统;对系留气球的生存能力进行评估,分析了国外平流层飞艇在军事应用中的现状,最后对浮空器进行展望。     

温度对平流层飞艇囊体材料蠕变性能的影响

蠕变是长航时平流层飞艇囊体材料的重要性能指标,对飞艇在长时间飞行中结构的稳定性具有重要意义。受限于蠕变试验设备及方法,飞艇囊体材料一般只进行常温的蠕变试验。为研究温度对平流层飞艇囊体材料的蠕变性能的影响,利用可控温的持久蠕变性能测试仪,将蠕变试验温度分别设置为-50、23、60℃,通过持久蠕变试验方法测试不同温度状态下平流层飞艇囊体材料的蠕变性能,计算了囊体材料的蠕变应变并给出了相应的蠕变曲线,分析了温度对平流层囊体材料蠕变性能的影响。结果表明:承力层为Vectran纤维的平流层飞艇囊体材料具有较低的蠕变率;相同应力状态下,蠕变的性能随温度而变化,温度越高,蠕变量越大,蠕变速度越快。可见温度对囊体材料的蠕变量和蠕变速度有明显的影响,在平流层飞艇的设计和分析中需将其作为参考指标。试验方法为平流层飞艇囊体材料的蠕变性能测试提供了新的试验途径,试验分析结果可应用于平流层飞艇的设计和囊体材料的研究,具有一定的工程应用价值。     

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。     

基于流固耦合方法的快速部署浮空器数值研究

为了研究快速部署浮空器的充气过程及其力学机理,采用逆向折叠方法建立其折叠态模型,利用任意拉格朗日欧拉方法建立了折叠态气球整个充气过程的数值模型,结构域和流场域基于拉格朗日描述,通过接触算法描述两者间的耦合关系。分析了浮空器在充气展开过程中的力学响应,并将实验结果与数值结果进行对比。结果表明为了研究快速部署浮空器充气展开过程中的力学机理和工作特性,采用逆向折叠方法建立其折叠态模型,利用任意拉格朗日欧拉方法建立了折叠态气球整个充气过程的数值模型,结构域和流场域基于拉格朗日描述,通过接触算法描述两者间的耦合关系。分析了浮空器在充气展开过程中的外形、应力和流场变化,并将实验结果与数值结果进行对比。仿真结果表明：展开过程与高压氦气源放气特性存在时变非线性耦合,其充气时长、囊体外形时变特性等因素与试验结果基本吻合。且位于底部的蒙皮应力值最高,后续设计和制造过程中需要对底部结构进行增强。通过本文提出的数值方法可以为后续不同任务和构型的快速部署浮空器设计和优化提供参考。：数值结果与实验结果基本吻合,证明了此数值方法的有效性。本方法可以为后续快速部署浮空器设计提供一定参考。     

柔性蒙皮材料氦气渗透的细观机制

该文研究了由聚芳脂纤维(vectran)平纹织物为承力层、PVF膜(tedlar)为阻氦层、聚酯薄膜(mylar)为防护层的浮空器蒙皮材料氦气渗透的细观机制。首先,根据Hagen-Poiseuille定律,推导得到了承力层等效渗透率。然后,通过氦气溶解扩散模型和多层复合结构渗透模型,理论分析了各层对氦气密封性能的贡献比例,讨论了每层不同厚度对整体蒙皮材料氦气渗透率的影响,理论预测了蒙皮材料的整体氦气渗透率。最后,将实验结果与理论所得的数值进行了对比,验证了多层渗透模型的正确性。     

低层近空间飞艇热环境数值模拟

为建立低层近空间飞艇平台各种传热模型,利用FLUENT中的太阳加载模型,综合考虑太阳辐射、环境温度、风速等因素的影响,开发了平流层中飞艇环境温度和风速的UDF程序,建立了平流层太阳能飞艇传热模型.研究结果表明:飞艇表面及艇内平均温度会随风速的增加呈现下降趋势,但随着风速的进一步增加,温度下降趋势减缓.该结论说明采用数值模拟飞艇热环境是一种经济而且可行的方法,此规律可为真实飞艇的囊体材料热防护和飞行控制实验提供一定的理论参考依据,必将很大程度的降低平流层飞艇的研发费用和周期.     

平流层零压气球飞行控制仿真研究

文章在详细分析零压气球几何外形、内外热环境和受力等情况的基础上,建立了零压气球几何、热力学和运动学模型。基于该模型,对零压气球上升-驻空-下降全过程进行了仿真模拟,得到零压气球飞行高度、蒙皮及内部气体(氦气)平均温度、氦气质量、气球体积以及气球飞行速度随时间的变化规律,并讨论了气球充氦量以及放飞时间对气球飞行性能的影响。结果表明:气球在上升过程中,氦气存在严重的"超冷"现象,而在驻空和下降过程中,出现严重的"超热"现象。由于"超冷",气球上升速度曲线呈"W"型变化;中午过后,随着太阳辐射的减弱,气球开始下降,直至降到地面。此外,充氦量及放飞时间直接影响到上升过程中氦气温度和飞行速度,对气球驻空高度影响很小。     

多级环形热声热机的起振条件及特性

基于线性热声网络理论,推导了多级环形行波热声热机的起振条件式,并对无负载系统的起振及稳态特性进行数值模拟分析.重点研究了不同工质、充气压力、回热器丝网水力半径及热声芯级数对热声热机起振温度、自激振荡频率以及相应声功率和效率的影响.模拟结果表明:不同充气压力下均存在获得最低起振温差的最优丝网水力半径,且在最优值附近存在一个合适的选值范围,使起振温差随充气压力的增加而降低,充气压力对振荡频率的影响不大;起振温差和振荡频率均随热声热机级数的增加而减小,当回热器温差一定时,增加级数会降低单个热声芯产生的声功率和效率.在一定加热功率条件下,采用混合工质可以获得比氦气工质更低的起振温差,且能获得与氦气工质相当的高声功率,因此混合工质有利于降低热机系统的工作温度和低品位热能的利用.     

大跨度桥梁桥面铺装温度效应仿真分析

针对环境温度变化对桥面铺装层受力的影响,提出了一些计算假定.以某高墩大跨连续刚构桥为研究对象,分析了温度变化对铺装层受力的影响.用整体温度变化来模拟年温差的影响,采用有限元的方法计算出温度变化引起的主梁挠度,拟合成挠度曲线,并由微元体的平衡条件导出了铺装层应力和层间剪应力的计算公式并得出相应的应力值;用局部温度变化来模拟昼夜温差的影响,采用先整体后局部的分析方法计算出铺装层内的应力.计算结果表明:在整体温度变化作用下铺装层的应力因其材料不同而异;在局部温度变化作用下铺装层内的应力受铺装层与主梁间的温差影响较大.     

基于液冷的锂离子电池组热均衡性研究

为了改善车用锂电池模组在高温高倍率工况下的热均衡性,根据圆柱形锂电池的传热特性,建立了18650锂电池单体的三维热模型,并完成40 °C环境自然对流下的热特性仿真,并通过温升试验验证了生热模型的可靠性. 在此基础之上,针对某型纯电动汽车的动力电池组,提出了一种夹套式电池模组冷却系统,利用Fluent研究了40 °C环境下冷却液流量、冷却液温度和放电倍率对电池组散热均衡性的影响. 结果表明:增加冷却液流量可以有效降低电池组最高温度、最大温差及电池自身温差,改善电池间的温度均匀性;但当入口流量增至0.03 kg/s后,对电池组散热性能的改善效果十分有限;降低冷却液温度后,电池组最高温度下降,但电池组最大温差与单体电池间温差不断上升,单体电池自身最大温差略有降低;当放电倍率增大时,电池组最高温度与最大温差均不断上升,单体电池间温差以及电池自身温差显著增大,电池组热均衡性变差.      

考虑组分相互作用的飞艇蒙皮材料力学模型

平流层空间空气稀薄,昼夜温差变化剧烈,巡航状态的平流层飞艇需要承受较大的循环压差载荷。蒙皮作为平流层飞艇的主要承力结构,其材料力学性能直接影响着飞艇的使用性。针对蒙皮材料层压结构特点,构建其细观结构模型。通过研究拉伸过程中纤维纱束与基体和膜层的相互作用,指出承力方向纤维纱束的变形过程分为弯曲状态逐步拉直和产生伸长形变两个阶段。建立了蒙皮材料拉伸过程的非线性力学模型;并通过与准静态拉伸试验获得的材料应力-应变曲线进行对比分析,校验了模型的准确性并分析了模型参数的改变对材料力学性能的影响,为平流层飞艇蒙皮材料结构优化设计提供依据。     

浮空器囊体材料力学性能实时测定

浮空器在工作状态下的实时力学性能的测定,对掌握浮空器的安全状况非常必要。通常所采用的力—位移方法无法进行浮空器实时力学性能的测量。文章利用大应变应变片对囊体材料进行测试,研究了应变片在非线性应变中的表现特性,通过对测试数据的分析,揭示了应变片中单片、花片、粘合剂,加厚垫层等对测试结果的影响,验证了应变片在浮空器囊体材料中测试应用的可行性,为其在浮空器囊体力学性能实时中的应用提供技术支持。     

地板送风室内温度分布预测模型

为了研究地板送风方式下有冷却壁面的房间的室内温度特性,本文对常用的多区热质平衡模型作了些修改.修改后的多区热质平衡模型包括3个模块,即壁面流模块、热羽流模块和热移动模块.该模型综合了墙体热传导、壁面对流热交换以及内部控制体之间的对流热交换过程.并通过典型实验验证了该区域模型的可靠性.研究表明:(1)室内外温差越大,壁面下降流越显著且流量越大;(2)下降流影响房间内温度分布且破坏了地板送风房间的温度分层特性;(3)预测值与实验值有着良好的一致性,因此该模型可用来预测具有冷却壁面的地板送风房间温度分布.     

热声振荡的格子气模拟

采用二维九速的格子气模型模拟热声振荡,建立了完备的多体碰撞规则,提供了粘性和热边界的处理方法.对不同热源温度的热声振荡起振特性进行了模拟,同时也数值模拟研究了板叠两端温度随时间的响应过程.研究结果显示,碰撞规则完善与否会影响格子气的模拟结果,系统中的温度场对板叠温差的扰动存在响应滞后,温差直接影响热声振荡的起振特性.此外,低温热源对格子气模型噪声的影响更为敏感.     

福建某碾压混凝土重力坝温控仿真及温控标准研究

亚热带地区高温季节气温与热带相似,且昼夜温差大,对大坝混凝土温控防裂较为不利.本文以福建省某典型碾压混凝土重力坝工程为例,采用有限元法开展了大坝混凝土温控措施及温控标准研究.基于稳定温度场计算结果,依托规范并参考相似工程提出相应温控标准;通过不同方案对浇筑温度、冷却水温和水管间距等温控措施进行了敏感性分析,并据此给出了推荐温控方案.仿真结果表明不采取温控措施时各区最高温度均不能满足控制要求;最高温度对浇筑温度较为敏感,但只控制浇筑温度时,后期内部温度下降缓慢,可能在低温季节产生较大的内外温差而导致表面开裂;综合考虑浇筑温度及通水冷却,可有效降低最高温度及后期内外温差.研究成果可为亚热带地区的类似工程提供参考.     

架空导线径向温差对弧垂计算的影响

建立了钢芯铝绞线径向温度场分布热路模型,利用有限元分析软件对不同载流值下导线截面的温度场进行计算,并分析了径向温差产生的原因,同时设计钢芯层和表层温度分布式实验进行验证.以实验结果为依据,讨论了不同的温差造成的弧垂计算误差,以及不同档距时的弧垂计算误差.研究结果表明:架空线径向温差随着载流量的提高呈增大趋势,自然对流情况下,表面温度70℃时,钢芯温度达到73.5℃,导致弧垂的计算误差逐渐扩大;在钢芯层和表层温差一定时,档距越大,计算误差越大,而相对误差越小.