恒溫條件下浮空氣囊泄漏仿真

朱仁勝 ，張 月 ，周 隱

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2滁州汽車與家電技術(shù)及裝備研究院，安徽 滁州 239000）

1 引言

浮空器是靠浮力升空的一類飛行器，氣囊內(nèi)部填充著密度低于空氣的浮升氣體（通常為氦氣），通過排氣閥和壓艙物來控制上升的速度和上升的高度，浮空器由于其具有長滯空時(shí)間、污染小、噪音低、可超低空作業(yè)、不易被雷達(dá)探測發(fā)現(xiàn)。成本較低等特點(diǎn)，在軍事和民用方面具有廣闊的應(yīng)用空間[1-2]。

浮空器的可靠性很大程度上取決于浮空器內(nèi)部氣體的穩(wěn)定性，如果浮空器內(nèi)的氣體發(fā)生泄漏，那么浮空器的滯空時(shí)間將會大大的縮減。所以研究浮空器內(nèi)部氣體發(fā)生泄漏時(shí)的熱特性變化，有利于及時(shí)采取相關(guān)措施以提高浮空器安全穩(wěn)定性。如何準(zhǔn)確有效測定浮空器是否泄漏并估測泄漏帶來的影響一直是該領(lǐng)域一大難題[3]。國內(nèi)外學(xué)者做了大量的浮空氣囊氣密性試驗(yàn)和理論計(jì)算：文獻(xiàn)[4-5]通過對受到雙向載荷作用下氦氣的泄漏情況的實(shí)驗(yàn)，得出蒙皮材料的氦氣泄漏系數(shù)和加載到表面的載荷的大小具有明確關(guān)系的結(jié)論；文獻(xiàn)[6]通過進(jìn)行基于小孔泄漏模型的密封氣囊密封氣囊最大允許泄漏量上限指標(biāo)分析，并開發(fā)建立密封氣囊泄漏檢測系統(tǒng)，對完好氣囊和有小孔的氣囊同時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)對比。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于氣囊表面應(yīng)變的預(yù)測泄漏方法，用來解決測量大體積低內(nèi)壓的密閉結(jié)構(gòu)泄漏時(shí)，壓力傳感器精度不夠而產(chǎn)生的測不到測不準(zhǔn)的問題。文獻(xiàn)[7-8]研究了蒙皮材料各層的微觀結(jié)構(gòu)并討論其不同的氦氣滲透機(jī)制，對于損傷誘導(dǎo)氦氣泄漏機(jī)制研究，從細(xì)觀損傷力學(xué)出發(fā)，建立了氦氣滲透率與裂紋密度和裂紋厚度之間的函數(shù)關(guān)系。

然而，由于氣體特殊的物理特性，僅測量氣囊內(nèi)部某一參數(shù)，以此描述在外部環(huán)境發(fā)生變化的情況下氣囊氣密性狀態(tài)，是不能做到對其準(zhǔn)確描述的。因此旨在通過采用CFD模擬泄漏浮空氣囊內(nèi)部氣體壓力、密度等參數(shù)的變化，提出一種基于多種指標(biāo)的浮空氣囊泄漏檢測方法?？紤]到實(shí)驗(yàn)器材的局限性，對溫度恒定條件下的各參數(shù)的變化進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量所得氣體壓力變化相比較，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的可靠性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明采用CFD對浮空氣囊泄漏問題進(jìn)行仿真的可行性，以達(dá)到把仿真方法外推到實(shí)際浮空氣囊研究的目的。

2 有限元模型建立

采用CFD[9]建立帶有泄漏孔的三維模型，考慮到浮空氣囊檢漏試驗(yàn)裝置[10]中所配套氣囊在完全充氣狀態(tài)下為直徑（1500±1）mm的球型氣囊，為保證仿真與實(shí)驗(yàn)初始條件最大程度契合，建立直徑為1500mm，泄漏口徑為0.1mm的球形浮空氣囊模型。使用網(wǎng)格劃分軟件劃網(wǎng)格，如圖1所示。其中泄漏孔在Y軸正方向最大處。以下關(guān)于泄漏仿真的云圖均為對氣囊在XOZ平面上直徑處的截圖，以顯示氣囊內(nèi)部各項(xiàng)特性的變化情況。

考慮到浮空器泄露過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的變化過程，采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。研究外界環(huán)境恒定條件下浮空氣囊的泄漏，因此忽略浮空氣囊泄漏帶來的外部環(huán)境的變化，設(shè)定泄漏過程中外界溫度為恒溫，并且無太陽輻射以及風(fēng)力等環(huán)境因素影響，只需打開能量方程；通過定量計(jì)算，泄漏過程中主要為湍流，氣體湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型；由于浮空氣囊內(nèi)部氣體是一個(gè)非定常的非穩(wěn)態(tài)流動，所以將氣體泄漏孔設(shè)定為壓力出口邊界；考慮到后期用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)檢測裝備所處的大氣環(huán)境接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，因此設(shè)定外界壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即101325Pa，浮空氣囊內(nèi)外壓差為3000Pa，內(nèi)部氣體選擇空氣，并將其設(shè)為理想氣體。

圖1 泄漏氣囊網(wǎng)格Fig.1 The Mesh of Leaking Ballonet

3 數(shù)值仿真

主要研究泄漏孔直徑為0.1mm浮空氣囊不同時(shí)間點(diǎn)的氣囊內(nèi)部氣體壓強(qiáng)、密度和速度的數(shù)值，以及不同時(shí)間點(diǎn)浮空氣囊Y方向直徑剖面的應(yīng)力云圖，分析泄漏過程中內(nèi)部氣體分布特點(diǎn)，并得出各參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢。

3.1 浮空氣囊泄漏內(nèi)部壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化

當(dāng)外界溫度為300K時(shí)，氣囊泄漏10h、80h、400h時(shí)內(nèi)外壓差云圖，如圖 2（a）～圖 2（c）所示。內(nèi)外平均壓差分別為 2438.80Pa、1193.04Pa、180.39Pa。從圖中可以看出氣囊內(nèi)部大部分區(qū)域壓強(qiáng)無明顯的變化，只在泄漏孔處有明顯的壓力梯度。當(dāng)泄漏750h時(shí)，氣囊內(nèi)外平均壓差為7.12Pa，可認(rèn)為氣囊內(nèi)部氣體已經(jīng)完全泄漏。總體來說，氣囊在泄漏時(shí)，內(nèi)部壓強(qiáng)沒有明顯的壓力梯度，但在出口處較明顯。氣囊內(nèi)部平均壓強(qiáng)及平均密度隨時(shí)間的變化曲線，如圖3所示。由圖3可見，泄漏過程中壓力下降速度隨著時(shí)間的增大而減小，在剛開始泄漏的前50h左右，氣囊內(nèi)部壓力下降比較快，在300h后，壓力下降趨于平緩?？梢妴挝粫r(shí)間氣體泄漏的質(zhì)量流隨著泄漏時(shí)間的增長而減小。

3.2 浮空氣囊泄漏內(nèi)部密度隨時(shí)間的變化

當(dāng)外界溫度為300K時(shí)，觀察氣囊泄漏10h、80h、400h時(shí)的氣囊內(nèi)部密度云圖在 Y 軸方向的剖面圖，如圖 2（d）、圖 2（e）、圖 2（f）所示。平均密度值分別為 0.1667kg/m3、0.16538kg/m3、0.16422 kg/m3。隨著泄漏的進(jìn)行，泄漏口處和氣囊內(nèi)部出面明顯分層，距離氣囊壁越近的氣體密度越小，氣體密度圍繞球心形成密度分布環(huán)，并在泄漏孔處密度相對于同一半徑的其他位置密度稍大。觀察圖3為關(guān)于氣囊平均密度隨泄漏時(shí)間的變化曲線。比較氣囊內(nèi)部平均密度與平均壓力的變化，氣囊內(nèi)部氣體密度變化趨勢與氣體壓力變化趨勢相似。

圖2 外壓及密度分布圖Fig.2 External Pressure and Density Distribution

圖3 平均壓強(qiáng)及平均密度隨泄漏時(shí)間的變化曲線Fig.3 The Curve of Average Pressure and Average Density with the Leakage Time

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用自行設(shè)計(jì)的一套實(shí)驗(yàn)裝置—浮空氣囊檢漏試驗(yàn)裝置[10]對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖，如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由直徑為1500mm的浮空氣囊、加熱/制冷系統(tǒng)、氣罐、管道以及壓力傳感器、流量計(jì)、溫度傳感器等測量系統(tǒng)組成。該裝置可采用加熱系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)裝置所處環(huán)境加熱/制冷到不同溫度，以模擬不同的大氣環(huán)境溫度，在氣囊表面連接了一個(gè)合金的法蘭，實(shí)驗(yàn)過程中通過在這個(gè)法蘭上連接不同直徑的泄漏管道來模擬不同孔徑的泄漏狀況。并采用測量裝置將所測相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給實(shí)驗(yàn)采集板，在PC端軟件界面以圖文方式顯示。通過此采集板可將氣囊中的溫度與壓力通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后，將得到的數(shù)據(jù)存儲到計(jì)算機(jī)中。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Experimental Installation

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.5 The Experimental Installation

為驗(yàn)證仿真模型是否正確，依據(jù)仿真模型中的邊界條件安排實(shí)驗(yàn)，向氣囊內(nèi)充填空氣使得內(nèi)外壓強(qiáng)達(dá)到3000Pa，啟動裝置內(nèi)溫控系統(tǒng)，使得氣囊外壁溫度達(dá)到300K，啟動泄壓閥，采集浮空氣囊內(nèi)部及蒙皮表面附近的不同點(diǎn)的壓強(qiáng)值，處理得到氣囊內(nèi)氣體壓力值，如表1所示。并與仿真所得壓差對照，作出壓差隨時(shí)間變化關(guān)系，如圖6所示。由圖6可見，仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢及數(shù)值均一致。由表1可見，誤差為均為5%以內(nèi)，可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果符合，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好的驗(yàn)證了仿真。由此可以推知，仿真泄漏方法正確，可以推廣到實(shí)際浮空氣囊泄漏計(jì)算上。

表1 仿真壓差與實(shí)驗(yàn)壓差隨時(shí)間變化表Tab.1 The Change of Differential Pressure of Simulation and Experiment with Time

圖6 仿真壓差與實(shí)驗(yàn)壓差隨時(shí)間變化圖Fig.6 The Change of Differential Pressure of Simulation and Experiment with Time

5 結(jié)果與討論

研究了浮空氣囊壁面溫度恒定情況下浮空氣囊泄漏產(chǎn)生的內(nèi)部氣體壓強(qiáng)、密度及泄漏速度的問題，通過對外界環(huán)境溫度恒定條件下氣囊泄漏情況進(jìn)行仿真，并按照仿真參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，從而確定仿真模型的正確性，為后續(xù)更為復(fù)雜大氣條件下的浮空氣囊泄漏的仿真提供依據(jù)。

并得出如下結(jié)論：

（1）隨著泄漏的進(jìn)行，氣囊內(nèi)部氣體密度有明顯的分層，距離蒙皮表面越近，氣體密度越小，圍繞球心形成密度分布環(huán)，并在泄漏孔處密度相對于同一半徑的其他位置密度稍大。

（2）泄漏過程中漏孔附近壓力及氣流速度變化明顯，而其他部分則無明顯變化。

（3）仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，誤差在5%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真，說明掌握了浮空氣囊的數(shù)值仿真方法，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步添加輻射等外部環(huán)境模型，進(jìn)一步研究自然大氣環(huán)境下的浮空氣囊泄漏問題。

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