對流現(xiàn)象對超壓氣球中氦氣的影響

斯日古楞 孫立君

摘 要：本文通過分析填充氦氣超壓氣球在環(huán)境變化導(dǎo)致與周圍大氣發(fā)生對流換熱的現(xiàn)象，建立了超壓氣球熱力學(xué)模型，并對其升空過程應(yīng)用MATLAB軟件仿真計算，研究了不同環(huán)境下模型升空過程中強迫對流系數(shù)、氦氣溫度隨著大氣高度變化規(guī)律。結(jié)果表明，在上升過程中氦氣溫度發(fā)生非線性變化，在升空過程初期填充氦氣溫度會出現(xiàn)上升現(xiàn)象，之后隨著大氣高度的增加而降低，到達(dá)18Km后，氦氣溫度又會隨著大氣高度的增加而增加。

關(guān)鍵詞：超壓氣球;MATLAB仿真;強迫對流;對流換熱

高空氣球作為一種新型無動力的平流層浮空器，有著飛行高度高、工作時間長、承載能力強、成本低等特點。而且在軍事通信、情報、導(dǎo)航和電視轉(zhuǎn)播、氣象遙感等方面都有著重要的作用?？梢詫⑺譃閮煞N類型：零壓氣球和超壓氣球。超壓氣球采用一種全封閉的結(jié)構(gòu)設(shè)計在氣球的內(nèi)外兩側(cè)會產(chǎn)生巨大的壓強差。本文通過對流換熱現(xiàn)象對超壓氣球的體積和溫度變化進(jìn)行研究，采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真計算。分析了隨著大氣風(fēng)速和大氣溫度變化對周圍大氣和超壓氣球的強迫對流系數(shù)以及溫度的影響，為超壓氣球的設(shè)計具有理論指導(dǎo)意義。

1 模型建立

（1）大氣模型建立。采用1976年美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，[1]初始大氣壓強為0.1013MPa，初始大氣密度為1.225Kg/m3。

（2）浮升氣體的選擇。氦氣相比于熱氣球中的空氣來說浮力大，不容易燃燒和爆炸，[1]因此本文用氦氣作為超壓氣球模型的填充氣體。

（3）高空氣球模型。建立圓球形模型，進(jìn)行數(shù)值計算。具體參數(shù)如下表所示。

3 計算結(jié)果

圖1所示，超壓氣球在上升的過程中，強迫對流系數(shù)會隨著大氣高度的變化發(fā)生規(guī)律性變化，隨著風(fēng)速的增加，強迫對流系數(shù)也會隨著增加。當(dāng)大氣高度為12Km時，風(fēng)速和強迫對流系數(shù)同時達(dá)到最大值。

當(dāng)只考慮強迫對流系數(shù)對氦氣的影響時，超壓氣球升空過程中氦氣的溫度變化如圖2所示。氦氣溫度在升空過程中的非線性變化，升空過程的初期，氦氣溫度會有明顯的一段上升變化，其溫差在秋季時最大，可達(dá)到19.58K。隨后在2-12km的空域內(nèi)，氦氣溫度隨大氣高度的增加而開始大幅度的降低，最大溫差可達(dá)到44.2K。隨后氦氣溫度仍會隨著大氣高度的增加而降低，但此時氦氣溫度的變化率非常低。當(dāng)大氣高度為18km時，超壓氣球中氦氣的溫度會隨著大氣高度的增加而增加。

4 結(jié)論

（1）隨著大氣中風(fēng)速的變化，超壓氣球所受到的強迫對流系數(shù)也會隨之變化，其最大值出現(xiàn)在冬季，最大值為3.0008。

（2）超壓氣球在上升的過程中，氦氣溫度會發(fā)生非線性的變化。在剛剛升空的過程中內(nèi)部氦氣溫度會出現(xiàn)短暫的上升，隨后會隨著大氣高度的增加而降低，到達(dá)18Km后，氦氣溫度會隨著大氣高度的增加而增加。其最大溫差出現(xiàn)在春季，為53.14K。

參考文獻(xiàn)：

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[5]張熙民，任澤霈.傳熱學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

基金項目：內(nèi)蒙自然科學(xué)基金項目（2018MS01014）

作者簡介：斯日古楞（1981-），女，博士，講師，主要從事工程力學(xué)方面的教學(xué)與研究;孫立君（1994-），男，碩士。