摘 "要：該文針對浮空器的多流場耦合分析需要，利用Fluent對浮空器的熱特性展開數(shù)值模擬研究。通過將浮空器蒙皮簡化成零厚度壁面，結(jié)合氣囊內(nèi)外流場的耦合計算，獲得蒙皮表面的內(nèi)外對流量；利用UDF的Profile宏加載太陽輻射和長波輻射換熱量。計算典型季節(jié)不同時間點下，蒙皮外表面溫度分布和氦氣溫度變化規(guī)律。結(jié)果表明，蒙皮表面極值溫度位置受對流換熱的影響位于浮空器尾部；同一典型日期下，蒙皮表面晝夜溫度變化范圍在3～8 K，且極大值變化大于極小值變化；氦氣平均溫度變化范圍在5 K以內(nèi)，且與蒙皮表面溫度變化趨勢一致。研究結(jié)果對于保障浮空器的安全運行具有一定幫助，也為后期浮空器傳熱-流動-結(jié)構(gòu)的多場耦合計算奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：浮空器；Fluent；熱特性；耦合建模；溫度

中圖分類號：V27 " " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0007-05

Abstract： In order to meet the needs of multi-flow field coupling analysis of the floater， this paper uses Fluent to carry out numerical simulation of the thermal characteristics of the floater. By simplifying the skin of the floater into a zero-thickness wall， combined with the coupling calculation of the internal and external flow field of the airbag， the internal and external convection flow of the skin surface is obtained， and the heat transfer of solar radiation and long-wave radiation is loaded by the Profile of UDF. The temperature distribution on the outer surface of the skin and the variation of helium temperature at different time points in typical seasons were calculated. The results show that the extreme temperature position of the skin surface is affected by convective heat transfer at the tail of the floater， and on the same typical date， the diurnal temperature of the skin surface varies from 3K to 8K， and the variation of the maximum is greater than that of the minimum. the average temperature of helium is less than 5K， which is consistent with the trend of skin surface temperature. The research results are helpful to ensure the safe operation of the floater， and lay a foundation for the multi-field coupling calculation of heat transfer-flow-structure in the later stage.

Keywords： floater; Fluent; thermal characteristics; coupling modeling; temperature

浮空器是一種區(qū)別于傳統(tǒng)飛行器的駐空飛行器，其動力主要來源于氣囊內(nèi)外氣體密度差所產(chǎn)生的浮力，具有以下優(yōu)點：①滯空時間長，可持續(xù)工作，生存能力強；②成本低、效費比高、定點飛行能力強；③飛行平穩(wěn)安靜、裝載空間大、載荷能力強和起降無須跑道等[1-3]。這些優(yōu)點使得浮空器成為理想長時間駐空的載荷平臺，在環(huán)境保護和應(yīng)急通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著浮空器應(yīng)用領(lǐng)域的延伸，國內(nèi)外學者對于浮空器的研究日益增多。早期，Liu等[4]利用零維瞬態(tài)模型，仿真分析了蒙皮輻射特性對平流層飛艇浮升氣體熱特性的影響，結(jié)果表明太陽輻射吸收率和紅外輻射發(fā)射率在白天對飛艇浮升氣體溫度的影響顯著。方賢德等[5]運用穩(wěn)態(tài)三節(jié)點模型，對滯空高度平流層飛艇的蒙皮和浮升氣體進行了仿真計算，結(jié)果顯示內(nèi)部浮升氣體晝夜溫差可達58.8 K，上部蒙皮溫差可達65.8 K，下部蒙皮溫差為51.9 K。張賀磊[6]表明氦氣溫度與太陽輻射的強弱有關(guān)，夏至日氦氣溫度最高，冬至日最低，一日之內(nèi)正午時分氦氣溫度最高；而一天內(nèi)蒙皮溫差最大值一般出現(xiàn)在清晨或傍晚時分。

近年來，鄧小龍等[7]基于兩節(jié)點熱力學模型對NASA的超長航時氣球的仿真結(jié)果表明：多層節(jié)點模型可給出囊體不同部位的溫度分布及氦氣溫度隨時間的變化規(guī)律；高空氣球囊體頂部和底部的晝夜溫差明顯小于平流層飛艇內(nèi)氦氣的晝夜溫差；高緯度飛行時的氦氣溫差更小，降低駐空高度可降低氦氣溫度。戴秋敏等[8]基于對雙氣囊平流層飛艇熱運動特性的分析，建立熱力學與動力學耦合的雙氣囊飛艇模型，結(jié)果表明：平流層浮空器保形上升過程中內(nèi)部氣體“超冷”現(xiàn)象明顯，空氣囊溫度過低，密度較高，導致飛艇凈浮力減小、上升速度降低。蔣鵬程等[9]通過雙向耦合獲得整流罩的散熱詳情，結(jié)合系留氣球整體散熱狀況，提出整流罩的正確位置。

浮空器作為柔性熱飛行器，熱特性與結(jié)冰特性、結(jié)構(gòu)形變及運動特性等相互影響，但上述針對浮空器熱特性的研究均是基于自編算法，不利于后期開展多物理場耦合分析。針對這一問題，本文基于Fluent對浮空器熱特性及內(nèi)外流場進行耦合分析。通過User Defined Function（UDF）和無厚度邊界設(shè)置實現(xiàn)蒙皮表面太陽輻射和長波輻射的加載，以及內(nèi)外對流換熱的耦合計算，得出典型時刻下的浮空器蒙皮以及內(nèi)部浮升氣體變化規(guī)律。

1 "浮空熱特性模型

浮空器的主要熱影響因素如圖1所示，其中主要包括太陽直射輻射、太陽散射輻射、地面反射輻射、天空長波輻射、地面長波輻射、氦氣自然對流換熱和空氣的強迫對流換熱。

以往的研究中，絕大多數(shù)的浮空器熱特性研究均是自編程序進行仿真計算，且針對對流換熱的計算均是采用簡單幾何體的定溫或定熱流平均對流換熱計算式。一方面，飛艇的實際形狀與簡單幾何體相差甚遠；另一方面，平均對流換熱系數(shù)計算式也沒有考慮不同位置的換熱系數(shù)差異，導致氣球熱特性的計算結(jié)果精度難以保證。實際上，蒙皮內(nèi)外表面的換熱與流場特性密不可分，為獲取精確的蒙皮對流換熱分布，需開展內(nèi)外流場與蒙皮的耦合計算。

1.1 "內(nèi)外流場域建模

取某Y型尾翼的浮空器為例，其長度L為151.2 m，半徑R為21 m，浮空器內(nèi)外流場劃分如圖2所示。入口域距離飛艇前部225 m，出口域距離飛艇尾部675 m，計算域半徑為100 m。

1.2 "蒙皮處理

由圖2可知，一方面是大尺度的流場區(qū)域，一方面是小尺度的蒙皮厚度，解決這極大與極小的沖突是仿真的重點。

因為蒙皮內(nèi)外對流、輻射換熱量大，在毫米級別的蒙皮厚度下，厚度方向的溫度梯度可以忽略。為了實現(xiàn)蒙皮與內(nèi)外流場的耦合計算，將蒙皮假設(shè)為無厚壁壁面。將網(wǎng)格導入Fluent中生成耦合交界面，設(shè)置Coupled邊界，結(jié)合給定的厚度和材料屬性直接計算熱阻，可相當程度地簡化蒙皮的計算量。作用在蒙皮表面的太陽輻射和長波輻射通過編寫用戶自定義函數(shù)（UDF）定義輻射熱流，但可通過Profile宏定義各單元的產(chǎn)熱率（Heat Generation Rate）實現(xiàn)。通過上述操作，相當于將蒙皮表面的輻射得熱與內(nèi)外流場的對流換熱的加載。

1.2.1 "太陽輻射

太陽輻射是浮空器獲取熱量最重要的來源。太陽輻射包括了太陽直射、太陽散射和地面反射。太陽直射是太陽輻射方向未改變直接透過大氣層被蒙皮表面所吸收的輻射熱量。太陽散射是太陽輻射經(jīng)過氣體、液體或固體的反射與折射，其強度與當?shù)氐臍夂驐l件密切相關(guān)。地面反射是指太陽輻射被地面反射后被蒙皮表面所吸收的部分熱量。本文根據(jù)太陽輻射的強度，云層與氣球的相對位置，氣球蒙皮的結(jié)構(gòu)，求各單元的太陽輻射熱流密度，計算公式如下

浮空器外部蒙皮表面空氣流動處于湍流流動區(qū)域，內(nèi)部氦氣由于大空間高溫差的原因，處在自然對流狀態(tài)。而自然對流受到浮空器蒙皮壁面的影響很大，因此模擬計算時選擇了RNG k-ε湍流模型，壓力耦合方式選擇SIMPLE算法，壓力離散格式采用Body Force Weright，其余用二階迎風格式。

1.4 "網(wǎng)格無關(guān)性驗證

浮空器的內(nèi)外流場域的采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，通過ICEM劃分網(wǎng)格后，網(wǎng)格單元總數(shù)355萬。以夏至日0時為例，分別對邊界層網(wǎng)格尺寸和總的網(wǎng)格數(shù)量進行分析。由于近壁面采取增強壁面處理，當y+≈1時能較為準確地模擬內(nèi)外流場[12]。最終確定邊界層數(shù)目為6層，首層網(wǎng)格為10 mm，總數(shù)為355萬的網(wǎng)格作為計算方案。網(wǎng)格分析結(jié)果見表2。

2 "模擬結(jié)果分析

本節(jié)針對某型浮空器在4 km高度下的駐空過程熱特性進行分析，在對流層區(qū)域，對流換熱條件充足，計算參數(shù)見表3。

浮空器在升空過程中，經(jīng)過對流層時容易受到多重因素的影響，不同時刻所對應(yīng)的氣象條件是不相同的，這也就導致了蒙皮表面溫度和氦氣溫度的變化差異，本文計算了在3個典型季節(jié)下，不同時間點下的溫度場，其中夏至日計算結(jié)果如圖3所示。

其中夏至日各時刻蒙皮溫度分布云圖如圖3所示。可以從云圖直觀的發(fā)現(xiàn)蒙皮表面溫度分布，造成表面分布范圍的不均勻性正是蒙皮表面的對流換熱量的差異。在駐空期間，蒙皮的溫度分布呈周期性變化，同時內(nèi)部的氦氣壓力也隨溫度變化而周期性變化。夜間，受長波輻射的影響，溫度分布趨勢為底部高、頂部低；受對流換熱系數(shù)的影響， 艇首溫度接近大氣溫度、尾部溫度更接近蒙皮極值溫度。白晝，受長波輻射影響，低溫區(qū)位于浮空器頂部的背陽面；受浮空器朝向和對流換熱的影響，高溫區(qū)位于浮空器尾部的朝陽面。

由圖4可知，春分日、夏至日和冬至日各時間點蒙皮表面的最高溫度變化。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，從0點開始，隨著時間的進程，溫度逐漸上升，中午時溫度達到最高點，后逐漸下降。蒙皮表面最高溫度達到了281.6 K，最低達到了256.2 K。同一時刻，夏至日和冬至日的蒙皮表面最高溫度相差約為18～22 K，主要由于不同季節(jié)空氣溫度和地面溫度的不同所造成的，其主要影響原因是地面反射輻射和太陽輻射。同一季節(jié)中，一天的溫差最大約為8 K，相比于平流層的溫度變化，這是因為計算高度位于對流層，輻射等影響較為均衡，引起的溫差也較小。

同樣可知，春分日、夏至日和冬至日各時間點蒙皮表面的最低溫度變化。其溫度變化趨勢與蒙皮表面最高溫度的變化趨勢大致相同，同一時刻下的不同季節(jié)溫度變化范圍大約在17～19 K之間。同一季節(jié)下的一天最大溫差變化約在3 K。對比蒙皮表面溫度最大值與最小值，相同季節(jié)和時間點下，蒙皮表面溫差最大值和最小值都是在冬至日，分別達到了9.4 K和3.1 K，時間為分別為12點和0點。

由圖5可知，春分日、夏至日和冬至日各時間點內(nèi)部氦氣平均溫度變化。在一天的變化中，氦氣溫度的變化較蒙皮表面溫度變化更為平緩。氣囊氦氣的最高溫度和最低溫度分別是276.3 K和254.4 K，分別出現(xiàn)在12時與0時。同一日中，春分日、夏至日和冬至日的氦氣溫差分別約4、5和2 K，造成冬至日溫差較小的原因是冬季輻射強度是氣囊溫度變化的主要原因。同一時刻下，夏至日和冬至日的氦氣平均溫差約為19～21 K，變化大小和趨勢與蒙皮表面溫度大致相同。

3 "結(jié)論

本文在Fluent仿真軟件的基礎(chǔ)上，建立浮空器的物理模型和熱特性模型，實現(xiàn)對某型低空浮空器駐空過程的內(nèi)外流場與熱特性的模擬，分析了典型時間不同時刻下浮空器的蒙皮溫度分布以及氦氣平均溫度分布。得到了以下結(jié)果。

1）白晝時，浮空器頂部溫度高，底部溫度低，夜間則相反；極值溫度區(qū)受對流換熱影響位于浮空器尾部。

2）同一典型日期下，蒙皮表面晝夜溫度的變化范圍在3～8 K。同一天下，蒙皮表面溫度最大值的變化明顯高于最小值的變化。

3）氦氣平均溫度變化與蒙皮表面溫度變化一致；同一天中，氦氣平均溫度變化較小，變化范圍在5 K以內(nèi)。

通過對數(shù)據(jù)的后處理能夠有效直觀地觀察到浮空器表面溫度分布及內(nèi)外部的流場分布，對于提升飛艇升空安全性提供幫助，也為浮空器的后期傳熱-流動-結(jié)構(gòu)的多場耦合計算提供基礎(chǔ)。

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