關(guān)于系留氣球載荷整流罩散熱方法探討與仿真分析

徐亮　陸景松

【摘 要】本文對(duì)系留氣球整流罩的兩種典型散熱方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比兩種散熱方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)不同使用環(huán)境提出建議。

【關(guān)鍵詞】整流罩;散熱;數(shù)值模擬;對(duì)比

中圖分類(lèi)號(hào)： V273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0133-002

0 引言

系留氣球是航空器的一種，其利用氣球內(nèi)部充入氦氣或者其他浮升氣體獲取升力，一般搭載預(yù)警、通信、對(duì)抗或光電等任務(wù)載荷，升空到一定海拔高度執(zhí)行任務(wù)，系留氣球任務(wù)載荷裝置外形并非流線(xiàn)型，一般采用在負(fù)載裝置外側(cè)布置整流罩的方法，以減弱系留氣球負(fù)載裝置對(duì)系留氣球氣動(dòng)性能的影響[1-4]。由于負(fù)載裝置一般具有較大功率，必須對(duì)整流罩內(nèi)部進(jìn)行散熱，防止負(fù)載裝置發(fā)生過(guò)熱導(dǎo)致失效等不良情況。本文以某系留氣球整流罩為研究對(duì)象，探討其內(nèi)部散熱方法，并對(duì)方案進(jìn)行數(shù)值仿真及分析。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 整流罩模型

系留氣球整流罩為流線(xiàn)型，位于系留氣球氣囊底部，負(fù)載裝置位于整流罩內(nèi)部。負(fù)載裝置功耗5kw，裝置效率為80%，即裝置發(fā)熱功率為1kw。

根據(jù)分析，可選的散熱方案有兩種：（1） 整流罩連通閥與整流罩閥門(mén)形成流通，由系留氣球氣囊來(lái)風(fēng)冷卻整流罩內(nèi)部，以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案一，如圖1所示;（2）整流罩風(fēng)機(jī)與整流罩閥門(mén)形成流通，風(fēng)機(jī)引進(jìn)外界空氣冷卻整流罩內(nèi)部，以下簡(jiǎn)稱(chēng)方案二，如圖2所示。兩種方案對(duì)比見(jiàn)下表所示。

采用夏季白天大氣環(huán)境作為研究整流罩散熱方案優(yōu)劣的外界條件，大氣溫度取30℃，大氣其他條件與標(biāo)準(zhǔn)大氣一致。系留氣球內(nèi)氣體白天存在超熱情況，其內(nèi)部氣體溫度取40℃。由于負(fù)載裝置外形不規(guī)則，將其簡(jiǎn)化為圓球狀，負(fù)載壁面及整流罩內(nèi)部流場(chǎng)初始溫度均取30℃，負(fù)載圓球壁面設(shè)置熱流密度，其值由發(fā)熱功率及圓球表面積確定。

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用如下考慮粘性的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程來(lái)描述流動(dòng)區(qū)域的流動(dòng)傳熱過(guò)程：

計(jì)算域內(nèi)流體定義為不可壓縮流體;考慮湍流效應(yīng)，采用k-ε湍流模型;壓力與速度耦合采用SIMPLE算法;流體入口采用速度入口邊界條件，流體出口采用自由出口邊界條件;負(fù)載裝置采用固定熱流密度邊界條件，整流罩壁面采用固定溫度邊界條件，上側(cè)與系留氣球囊體連接面為40℃，其他部分為30℃。

由于主要研究氣囊內(nèi)部流體的流動(dòng)和傳熱過(guò)程，計(jì)算區(qū)域內(nèi)流動(dòng)和傳熱過(guò)程采用文獻(xiàn)[5]中的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程來(lái)描述。

（1）連續(xù)性方程：

（2）動(dòng)量守恒方程：

式中：f為流體單位體積的質(zhì)量力，μ為流體的動(dòng)力黏度，λ為流體的第2分子黏度，對(duì)于氣體可取λ=-2/3。

（3）能量守恒方程

式中：cp為比熱容，T為溫度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，ST為黏性耗散相。

在GAMBIT中選擇用商用流體計(jì)算軟件進(jìn)行CFD計(jì)算，利用GAMBIT創(chuàng)建整流罩內(nèi)氣體的二維網(wǎng)格模型，根據(jù)整流罩的幾何參數(shù)繪制出整流罩中心剖面圖，按照格式化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的間距為10 mm。計(jì)算采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型。方案一和方案二開(kāi)口面積相等，方案一入口流量為0.15m3/s，方案二入口速度為0.2m3/s，根據(jù)流量設(shè)置入口速度。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算結(jié)果

方案一、方案二的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖3、圖4所示。中間圓球部分為發(fā)熱單元。由于鼓風(fēng)機(jī)的入口速度大、溫度低，方案二整流罩囊體內(nèi)部溫度比方案一低，方案二整流罩囊體內(nèi)部的高溫區(qū)域大。方案二整流罩囊體內(nèi)平均溫度為306K，方案一整流罩囊體內(nèi)部平均溫度309K。

方案一、方案二速度場(chǎng)情況分別見(jiàn)圖5、圖6所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)方案二氣流主要部分流經(jīng)發(fā)熱單元，帶走的熱量較多，而方案一的入口氣流只（下轉(zhuǎn)第169頁(yè)）（上接第134頁(yè)）有小部分流經(jīng)發(fā)熱單元，帶走的熱量較少。

2.2 結(jié)果分析

從2.1節(jié)對(duì)比結(jié)果可得出方案二的整流罩內(nèi)部環(huán)境溫度低于方案一的，平均溫度相差3度，有利于發(fā)熱單元的輻射換熱;另外方案二流體主要流經(jīng)發(fā)熱單元，有利于發(fā)熱單元的對(duì)流換熱。

根據(jù)上述分析，選擇方案二的整流罩內(nèi)部散熱效果更好。另外對(duì)比兩種方案重量功耗情況，方案一的總重量、總功耗占優(yōu)。對(duì)于方案一建議將連通閥安裝到散熱單元附近有利于帶走更多的熱量。

3 結(jié)論

本文對(duì)系留氣球整流罩散熱方式提出以下建議：

（1）發(fā)熱單元發(fā)熱量大而對(duì)于重量、功耗要求不高的系留氣球建議選擇方案二對(duì)整流罩進(jìn)行散熱;

（2）發(fā)熱單元發(fā)熱量小建議選擇方案一，有利于節(jié)省系留氣球上能源消耗和減小負(fù)載重量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張翠，陳付幸，鄒濤.系留氣球軍事應(yīng)用研究[J].浮空器研究，2008 VOL.2 No.4.

[2]Christopher Bolkcom，Potential Military Use of Airships and Aerostat [R].CRS Report for Congress，Sep 2006.

[3]陸汝玉.美國(guó)420K型系留氣球高空固定平臺(tái)簡(jiǎn)介[J].雷達(dá)與電子戰(zhàn)，1995（1）：40-48.

[4]TCOM techered aerostats[G].Janes Unmanned Aerial Vehicles And Targets，Jan 2008.

[5]黃衛(wèi)星，陳文梅.工程流體力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.