葉 欣 范利波 張邦雙

(西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川西昌 615000)

0 引言

衛(wèi)星作為一種高精密的復(fù)雜儀器，對(duì)于所處的空氣環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和電磁環(huán)境有著極為苛刻的要求和條件。其中空氣環(huán)境質(zhì)量由專門的通風(fēng)系統(tǒng)來保障，通過給容器提供一定流量、溫度、濕度及潔凈的空氣來達(dá)到要求。衛(wèi)星容器通風(fēng)系統(tǒng)屬于直流式空調(diào)系統(tǒng)，其容器內(nèi)部溫濕度變化受外部環(huán)境因素影響較大，送風(fēng)保障要求高、難度大。由于日常情況下沒有衛(wèi)星和容器實(shí)物，通風(fēng)系統(tǒng)無法針對(duì)不同環(huán)境和條件要求進(jìn)行針對(duì)性的操作訓(xùn)練。本文通過建立衛(wèi)星容器通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型，能與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)形成相互驗(yàn)證的冗余測(cè)量體系，可以提高通風(fēng)系統(tǒng)保障的訓(xùn)練水平，并對(duì)衛(wèi)星容器通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化和極限能力檢驗(yàn)提供理想的模擬實(shí)驗(yàn)條件。

1 研究對(duì)象與數(shù)據(jù)源

MEO雙星整流罩空調(diào)保障難度大，對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)也最為復(fù)雜，因此選其作為研究對(duì)象。搜集MEO雙星整流罩尺寸和開口位置等圖紙資料，用于空間建模。搜集航科集團(tuán)和發(fā)射站監(jiān)測(cè)的整流罩?jǐn)?shù)據(jù)，確定相關(guān)參數(shù)，用于仿真模型的參數(shù)輸入和模擬結(jié)果的檢驗(yàn)。時(shí)間2012年4月22日，17:30;環(huán)境溫度23.75℃;送風(fēng)溫度8.9 ℃，濕度53.2%;上星整流罩測(cè)點(diǎn)溫度15.1 ℃，濕度33.0%;下星整流罩測(cè)點(diǎn)溫度16.0℃，濕度31.3%;整流罩球冠、圓柱、倒錐部分傳熱系數(shù)分別為 0.91 W/(m2·℃)，8.73 W/(m2·℃)，9.94 W/(m2·℃)。

2 研究方法

流體數(shù)值模擬(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))是在計(jì)算機(jī)上求解流體運(yùn)動(dòng)和傳熱的基本方程，從而獲得各種條件下流體狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)。它能夠提供整個(gè)計(jì)算域內(nèi)所有的相關(guān)變量的值，能對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行定量描述并具有流場(chǎng)重現(xiàn)的能力，它還可以很方便地模擬很大或很小尺寸的物體、很低或很高的溫度、有毒或易燃的物體?；诂F(xiàn)有流動(dòng)理論的商用軟件越來越多地應(yīng)用于科學(xué)研究，包括燃燒過程、化學(xué)反應(yīng)、融化凝固、多相流過程、超音速模型在內(nèi)的幾乎所有流體過程［1］。

衛(wèi)星容器通風(fēng)系統(tǒng)的研究，本質(zhì)上是一個(gè)三維流場(chǎng)內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)以及氣固傳熱的問題，根據(jù)MEO雙星容器內(nèi)部流場(chǎng)的實(shí)際情況，結(jié)合目前的商業(yè)CFD軟件的特點(diǎn)和適用范圍，選用Pro/E，Gambit，F(xiàn)luent和Tecplot軟件作為研究工具，確定容器空調(diào)仿真的技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3 流場(chǎng)仿真與模擬

3.1 前提與假設(shè)

通過適當(dāng)簡(jiǎn)化，在滿足精度的前提下能大大減少仿真模型的復(fù)雜程度和計(jì)算量，主要假設(shè)與簡(jiǎn)化如下:罩內(nèi)氣體為理想可壓縮非粘性流體，處于定常條件下的湍流狀態(tài)，不考慮太陽照射和風(fēng)速風(fēng)向?qū)Ρ诿鏌醾鲗?dǎo)的影響，不考慮水蒸氣凝結(jié)和壁面粗糙度的影響。

3.2 Pro/E 空間建模

在Pro/E軟件中，建立衛(wèi)星容器的三維零件模型，在草繪圖中繪制容器二維剖面，再利用旋轉(zhuǎn)、拉伸、陣列、相交、截?cái)嗟裙δ?，建立衛(wèi)星容器三維空間模型。為減少下一步網(wǎng)格劃分工作量和數(shù)值模擬計(jì)算量，根據(jù)容器的對(duì)稱特點(diǎn)，將其簡(jiǎn)化為1/4空間模型，如圖2所示。

3.3 Gambit網(wǎng)格劃分

采用等比例縮放、無修復(fù)方式將空間模型導(dǎo)入Gambit軟件中。對(duì)衛(wèi)星容器整體采用4 cm的劃分尺度，在進(jìn)出風(fēng)口流場(chǎng)變化大的區(qū)域，采用1 cm的劃分尺度，選擇TGrid格式(主要為四面體，部分為六面體、錐形和楔形)進(jìn)行三維實(shí)體網(wǎng)格劃分，具體如圖3所示。

圖2 上星、下星容器實(shí)體與1/4空間模型

圖3 上星、下星容器Gambit網(wǎng)格模型（整體效果和局部加密）

3.4 Fluent模型解算

Fluent軟件用于流體方程的求解，需要輸入邊界條件、初始條件和流體材料屬性，具體過程如下:

1)根據(jù)實(shí)際需求，選擇三維單精度求解器，能量計(jì)算模型和組分輸運(yùn)模型，確定Standard k-epsilon計(jì)算方法。

2)讀入網(wǎng)格文件，并進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查。

3)選擇計(jì)算模型，設(shè)為默認(rèn)參數(shù)。

4)在流體庫中設(shè)置空氣與水蒸氣的混合氣體，確定混合氣體的等壓比熱容為717 J/(kg·K)，熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.045 W/(m·K)。

5)設(shè)置邊界條件。

進(jìn)風(fēng)口:由導(dǎo)流板出口尺寸與形狀計(jì)算其水力直徑，查表估算出流體流動(dòng)雷諾數(shù)Re，由I=0.16/計(jì)算出湍流強(qiáng)度I;出風(fēng)口:設(shè)為自由出流邊界條件及其默認(rèn)參數(shù);整流罩殼體:設(shè)為墻體邊界條件，輸入各部分傳熱系數(shù);環(huán)境參數(shù):環(huán)境溫度和送風(fēng)溫濕度為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。

6)由于不了解流場(chǎng)的實(shí)際情況，采用默認(rèn)參數(shù)初始化。

7)將參數(shù)輸入仿真模型進(jìn)行求解，上星整流罩仿真模型運(yùn)算到310次時(shí)達(dá)到收斂，下星整流罩運(yùn)算到500次時(shí)也達(dá)到了殘差小于10－3的要求。

3.5 Tecplot結(jié)果后處理

為了直觀地顯示整流罩仿真模型的計(jì)算結(jié)果，將Fluent軟件仿真結(jié)果導(dǎo)入Tecplot軟件，并將上下星容器合并以后，采用ISO等值面形式［2］將整流罩仿真模型的溫濕度進(jìn)行三維顯示，如圖4所示。

4 結(jié)果分析與驗(yàn)證

為檢驗(yàn)整流罩空調(diào)系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性，利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的罩內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，與仿真模型對(duì)應(yīng)位置的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖5為切片模型)，結(jié)果見表1。

圖4 衛(wèi)星容器溫度、濕度ISO等值面模型

圖5 容器溫度、濕度仿真結(jié)果切片

表1 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1可以看出，仿真模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，說明衛(wèi)星容器通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型能夠比較準(zhǔn)確地反映容器內(nèi)溫濕度實(shí)際情況，能夠直觀展現(xiàn)容器內(nèi)溫濕度的分布特征。

5 結(jié)論與展望

本文以MEO雙星容器為實(shí)例進(jìn)行三維溫濕度場(chǎng)的仿真模擬，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，分析認(rèn)為:

1)利用仿真模型能夠準(zhǔn)確模擬罩內(nèi)溫濕度實(shí)際情況，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)形成相互驗(yàn)證的冗余測(cè)量體系，提高數(shù)據(jù)可信度;利用該模型還可進(jìn)行模擬操作訓(xùn)練，提高通風(fēng)系統(tǒng)操控的訓(xùn)練水平;通過對(duì)各種工況條件和惡劣環(huán)境進(jìn)行模擬，該模型還能夠?qū)νL(fēng)系統(tǒng)的工況參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并檢驗(yàn)空調(diào)保障的極限能力。

2)在航天發(fā)射場(chǎng)地面設(shè)備中，低溫/常規(guī)加注、液壓、供配氣、給排水等流體系統(tǒng)都可應(yīng)用本文的數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，為提高航天發(fā)射場(chǎng)信息化水平提供了一個(gè)有效的技術(shù)途徑和實(shí)現(xiàn)手段，具有很好的實(shí)用價(jià)值和推廣應(yīng)用潛力。

［1］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:1-4.

［2］王瑞金，張 凱，王 剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:237-254.