系留气球整流罩散热数值仿真

蒋鹏程，欧阳自强，张文华

（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

系留气球是一种利用轻于空气（LTA）气体的浮力获得升力的无动力飞行器，具有维护成本低、安全度高、滞空时间久、无噪音等特点[1-4]。其搭载的任务设备可执行通讯任务、救援任务、气象探测、长时预警侦查等任务[5-9]，任务设备通常安装在系留气球下部整流罩内。然而随着任务设备性能的不断提升，伴随发热量也急剧增加。若热量不能及时散出，极易导致任务设备故障停机，因此整流罩的散热设计逐渐成为浮空器设计需要考虑的重大问题之一，如图1 所示。

图1 整流罩散热示意Fig.1 Heat dissipation diagram of windscreen

近年来国内外专家学者对浮空器（含系留气球和飞艇）开展了大量的研究工作，主要集中于球囊及浮升气体的相关特性研究[10-14]，尤其以热特性研究为热点，而基于对系留气球这类近地空间浮空器任务设备的环境控制研究涉及甚少。例如，Dai 等[15]模拟研究了高空超压气球的热力学特性，分析了蒙皮材料热辐射特性和云层厚度对气球热特性的影响。Cathey[16]研究了高空气球的热力学环境，但未考虑大气红外辐射的影响。茆磊等[17]采用理论分析和试验测定相结合的办法对浮空器受到太阳辐射问题进行了研究，建立了太阳直射辐射模型、天空散射辐射模型和地面反射辐射模型三个模型。程雪涛等[18]对低空浮空器进行了热数值分析，考虑多方面因素，建立了浮空器在地面的热分析理论模型。刘四洋[19]利用传热学公式计算出气囊与外界环境之间的平均对流换热系数及收到的外界辐射量，再借助CFD 方法进行气囊热特性数值模巧，研究了气囊在不同工况下的热特性。Xing 等[20]建立了球体的上升过程和热稳态模型，并进行了数值仿真，详细分析了薄膜红外特性对气球热性能的的影响分析，结果表明内红外辐射是影响球体热特性的主要因素。徐亮等[21]对系留气球整流罩的两种典型散热方案进行了简单的二维数值模拟计算，对比了两种散热方案的优缺点，并针对不同使用环境提出建议。苏彦华[22]用Fluent 软件对三种整流罩形状（方形、球形、球形修正）的系留气球气动性能进行计算，分析了整流罩形状对系留气球阻力和流场的影响。通过对比浮空器热特性研究的常见方法，可大致分为工程估算法和数值计算法。工程估算法利用经典传热学理论结合大量经验公式获得传热系数，并最终计算出总传热量，该方法优势是模型简化便捷，但存在计算精度低、适用范围小等不足；数值计算法是基于CFD 和数值传热等多学科的结合，利用计算机求解简化和离散化的数学方程获得近似解，能处理各种复杂流动和传热问题。

文中在数值计算的基础上，考虑到目前普遍采用的单侧集总参数法无法实时双向耦合计算，且实际浮空器蒙皮的温度和流场不均，可能导致计算结果产生较大偏差的问题，采用Fluent 结合编制UDF 同时实现整流罩外部对流、外部太阳辐射和内部对流、内部红外辐射的实时耦合计算求解（双向耦合），可以得到更加准确的预测结果。对于近地空间浮空器负荷的电子通信设备热环境控制具有一定的参考意义。

1 计算模型

1.1 物理模型

建立的模型为类水滴形整流罩，体积约为1100 m3。整流罩内含由雷达阵面、高频箱、排气口等组成的简易雷达模型作为整流罩内的唯一的发热设备，利用成熟商用软件Fluent 进行三维稳态流动和传热分析，建立整流罩外流场和整流罩内部计算模型，如图2 所示。在外流场边界设置定向风速，并在任务设备内部增加换热器和风扇模型强制对流换热，同时耦合外界太阳辐射和整流罩红外辐射模型，可以真实地模拟整流罩的散热情况。

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

1.2 整流罩对流辐射模型

整流罩在近地高空中时，能量传递的方式主要为对流和辐射两种方式。具体可以分为太阳直射、云层散射辐射、红外辐射、整流罩内外对流换热及雷达发热输入热能。当整流罩处于稳态时，根据能量守恒可以得到：

式中：qs-r为整流罩吸收的太阳的直接辐射；qe-r为整流罩吸收的地球反射辐射；qe-ir为被整流罩吸收的地球红外辐射；qc-ir是吸收的云层的红外辐射；qr是整流罩向外辐射的热能；qin是整流罩内携带的发热设备的输入热能；qin-conv表示内部对流换热；qout-conv表示整流罩外表面与环境空气对流换热。具体计算公式可参考陶文铨《传热学》及文献[23-24]。

1.3 数值方法

流体的流动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律，控制方程如下：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

式中： p 为静压力；ρgi是重力体积力；iF 为其他体积力，也可以表示为自定义源项。

能量守恒方程：

式中忽略了其他体积热源项，通过求解能量守恒方程，可以计算流-固-热的传热问题。以上方程组为数值计算的控制方程，通过商业软件FLUENT 的求解器进行求解。

1.4 边界条件

任务设备发热量约为25 kW，环境温度不大于50 ℃，自身冷却风量为7500 m3/h。外流场入口处风速设为3 m/s，出口为压力出口。实际计算时外流场采用k-omega SST 湍流模型，增加了横向耗散导数项，并在黏度定义中添加了湍流剪切应力的运输过程。囊体内外表面红外辐射采用了DO 模型，可计算所有光学厚度的辐射问题，同时还耦合了Fluent 自带太阳射线模型、内热源和风扇模型，实现系留气球整流罩的散热数值仿真。为了保证任务设备正常工作，要求整流罩内空气温度应控制在一定范围内，计算边界条件和囊体材料特性数据见表1，外界风速为统计最小值，环境温度为高温极值，太阳辐射为最大时段。

表1 边界条件与材料物性Tab.1 Boundary conditions and material properties

2 计算结果与分析

3000 m-3 m/s 典型流场、温度场、太阳辐射和流线图见图3，各计算工况数据见表2。由数据可知，3000 m-3 m/s 高度，在整流罩进气口质量流量为1.0 kg/s 时，整流罩内部维持在39～40 ℃；6000 m-3 m/s 高度，在整流罩进气口质量流量为0.5 kg/s 时，整流罩内部维持在25.5～26 ℃。

图3 计算结果Fig.3 Calculation results: a) flow field distribution; b) temperature distribution in windscreen;c) temperature flow line in windscreen; d) solar radiation distribution outside windscreen

表2 各工况计算结果数据Tab.2 Calculation result data under each condition

对比表2 中两种工况下整流罩的仿真计算结果，可以得到以下结论：

按最严酷状态进行分析，在3000 m 和6000 m 工作高度开通风口引入外界空气向整流罩内强制通风对流，整流罩内平均温度分别为40.1 ℃和25.8 ℃，整流罩内温度环境满足任务设备工作要求。该结论表明，在任务设备底部的整流罩外壳上设置通风口，同时在整流罩顶部和后部开设排气口，可以有效促进整流罩内空气强制对流，对于雷达散热具有明显作用。

系留气球从3000 m 上升至6000 m 高度，环境温度从25 ℃下降至-2.6 ℃，整流罩向环境损失的热量从68.8 kW 增加至72.7 kW。此时任务设备散热所需引入外界通风量相应减少，低温环境空气质量流量从1.0 kg/s 下降至0.5 kg/s；

系留气球从3000 m 上升至6000 m 高度，整流罩外表面对流换热量增加近1 倍，成为整流罩内雷达散热的主要途径。该仿真结论表明，随着浮空器高度增加，空气密度相对于地面空气变小，热特性发生变化，但对流散热仍是最高效的散热方式。不论是保温或散热，都应优先考虑对流换热影响。

3 结论

文中涉及的仿真计算方法和结论可为同类型系留气球和近地空间浮空器的整流罩散热、保温设计提供参考。通过Fluent 数值计算快速地获得系留气球整流罩在各高度、环境条件下的散热情况，并可直观地获得整流罩内任意位置的流场和温度场分布，为整流罩及内部任务设备的热设计提供设计依据。通过编制UDF，同时实现整流罩外部对流、外部太阳辐射和内部对流、内部红外辐射的实时耦合计算（双向耦合），不仅更加贴近实际状态，计算精度更高，也可用于飞艇艇体、热气球囊体、高空设备舱等设备的热特性分析，具有十分广泛的应用领域。