对流现象对超压气球中氦气的影响

斯日古楞 孙立君

摘 要：本文通过分析填充氦气超压气球在环境变化导致与周围大气发生对流换热的现象，建立了超压气球热力学模型，并对其升空过程应用MATLAB软件仿真计算，研究了不同环境下模型升空过程中强迫对流系数、氦气温度随着大气高度变化规律。结果表明，在上升过程中氦气温度发生非线性变化，在升空过程初期填充氦气温度会出现上升现象，之后随着大气高度的增加而降低，到达18Km后，氦气温度又会随着大气高度的增加而增加。

关键词：超压气球;MATLAB仿真;强迫对流;对流换热

高空气球作为一种新型无动力的平流层浮空器，有着飞行高度高、工作时间长、承载能力强、成本低等特点。而且在军事通信、情报、导航和电视转播、气象遥感等方面都有着重要的作用。可以将它分为两种类型：零压气球和超压气球。超压气球采用一种全封闭的结构设计在气球的内外两侧会产生巨大的压强差。本文通过对流换热现象对超压气球的体积和温度变化进行研究，采用MATLAB软件进行仿真计算。分析了随着大气风速和大气温度变化对周围大气和超压气球的强迫对流系数以及温度的影响，为超压气球的设计具有理论指导意义。

1 模型建立

（1）大气模型建立。采用1976年美国标准大气模型，[1]初始大气压强为0.1013MPa，初始大气密度为1.225Kg/m3。

（2）浮升气体的选择。氦气相比于热气球中的空气来说浮力大，不容易燃烧和爆炸，[1]因此本文用氦气作为超压气球模型的填充气体。

（3）高空气球模型。建立圆球形模型，进行数值计算。具体参数如下表所示。

3 计算结果

图1所示，超压气球在上升的过程中，强迫对流系数会随着大气高度的变化发生规律性变化，随着风速的增加，强迫对流系数也会随着增加。当大气高度为12Km时，风速和强迫对流系数同时达到最大值。

当只考虑强迫对流系数对氦气的影响时，超压气球升空过程中氦气的温度变化如图2所示。氦气温度在升空过程中的非线性变化，升空过程的初期，氦气温度会有明显的一段上升变化，其温差在秋季时最大，可达到19.58K。随后在2-12km的空域內，氦气温度随大气高度的增加而开始大幅度的降低，最大温差可达到44.2K。随后氦气温度仍会随着大气高度的增加而降低，但此时氦气温度的变化率非常低。当大气高度为18km时，超压气球中氦气的温度会随着大气高度的增加而增加。

4 结论

（1）随着大气中风速的变化，超压气球所受到的强迫对流系数也会随之变化，其最大值出现在冬季，最大值为3.0008。

（2）超压气球在上升的过程中，氦气温度会发生非线性的变化。在刚刚升空的过程中内部氦气温度会出现短暂的上升，随后会随着大气高度的增加而降低，到达18Km后，氦气温度会随着大气高度的增加而增加。其最大温差出现在春季，为53.14K。

参考文献：

[1]杨炳尉.标准大气参数的公式表示[J].宇航学报，1983（01）：83-86.

[2]郑永骏.平流层飞艇上升段航迹多目标优化设计与分析[D].国防科学技术大学，2014.

[3]AIAA.Mathematical modeling of high altitude balloon performance[J].2000.SALEH S，HE W.Ascending Performance Analysis for High Altitude Zero Pressure Balloon[J].Advances in Space Research，1.2017，59（8）：2158-2172.

[4]张奕，郭恩震.传热学[M].北京：东南大学出版社，2004.

[5]张熙民，任泽霈.传热学[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

基金项目：内蒙自然科学基金项目（2018MS01014）

作者简介：斯日古楞（1981-），女，博士，讲师，主要从事工程力学方面的教学与研究;孙立君（1994-），男，硕士。