基于CFD 技术的卫星容器通风系统研究

叶 欣 范利波 张邦双

(西昌卫星发射中心，四川西昌 615000)

0 引言

卫星作为一种高精密的复杂仪器，对于所处的空气环境、力学环境和电磁环境有着极为苛刻的要求和条件。其中空气环境质量由专门的通风系统来保障，通过给容器提供一定流量、温度、湿度及洁净的空气来达到要求。卫星容器通风系统属于直流式空调系统，其容器内部温湿度变化受外部环境因素影响较大，送风保障要求高、难度大。由于日常情况下没有卫星和容器实物，通风系统无法针对不同环境和条件要求进行针对性的操作训练。本文通过建立卫星容器通风系统仿真模型，能与实测数据形成相互验证的冗余测量体系，可以提高通风系统保障的训练水平，并对卫星容器通风系统的参数优化和极限能力检验提供理想的模拟实验条件。

1 研究对象与数据源

MEO双星整流罩空调保障难度大，对其内部流场也最为复杂，因此选其作为研究对象。搜集MEO双星整流罩尺寸和开口位置等图纸资料，用于空间建模。搜集航科集团和发射站监测的整流罩数据，确定相关参数，用于仿真模型的参数输入和模拟结果的检验。时间2012年4月22日，17:30;环境温度23.75℃;送风温度8.9 ℃，湿度53.2%;上星整流罩测点温度15.1 ℃，湿度33.0%;下星整流罩测点温度16.0℃，湿度31.3%;整流罩球冠、圆柱、倒锥部分传热系数分别为 0.91 W/(m2·℃)，8.73 W/(m2·℃)，9.94 W/(m2·℃)。

2 研究方法

流体数值模拟(计算流体动力学)是在计算机上求解流体运动和传热的基本方程，从而获得各种条件下流体状态参数的数据。它能够提供整个计算域内所有的相关变量的值，能对流场进行定量描述并具有流场重现的能力，它还可以很方便地模拟很大或很小尺寸的物体、很低或很高的温度、有毒或易燃的物体。基于现有流动理论的商用软件越来越多地应用于科学研究，包括燃烧过程、化学反应、融化凝固、多相流过程、超音速模型在内的几乎所有流体过程［1］。

卫星容器通风系统的研究，本质上是一个三维流场内的流体运动以及气固传热的问题，根据MEO双星容器内部流场的实际情况，结合目前的商业CFD软件的特点和适用范围，选用Pro/E，Gambit，Fluent和Tecplot软件作为研究工具，确定容器空调仿真的技术路线，如图1所示。

图1 技术路线

3 流场仿真与模拟

3.1 前提与假设

通过适当简化，在满足精度的前提下能大大减少仿真模型的复杂程度和计算量，主要假设与简化如下:罩内气体为理想可压缩非粘性流体，处于定常条件下的湍流状态，不考虑太阳照射和风速风向对壁面热传导的影响，不考虑水蒸气凝结和壁面粗糙度的影响。

3.2 Pro/E 空间建模

在Pro/E软件中，建立卫星容器的三维零件模型，在草绘图中绘制容器二维剖面，再利用旋转、拉伸、阵列、相交、截断等功能，建立卫星容器三维空间模型。为减少下一步网格划分工作量和数值模拟计算量，根据容器的对称特点，将其简化为1/4空间模型，如图2所示。

3.3 Gambit网格划分

采用等比例缩放、无修复方式将空间模型导入Gambit软件中。对卫星容器整体采用4 cm的划分尺度，在进出风口流场变化大的区域，采用1 cm的划分尺度，选择TGrid格式(主要为四面体，部分为六面体、锥形和楔形)进行三维实体网格划分，具体如图3所示。

图2 上星、下星容器实体与1/4空间模型

图3 上星、下星容器Gambit网格模型（整体效果和局部加密）

3.4 Fluent模型解算

Fluent软件用于流体方程的求解，需要输入边界条件、初始条件和流体材料属性，具体过程如下:

1)根据实际需求，选择三维单精度求解器，能量计算模型和组分输运模型，确定Standard k-epsilon计算方法。

2)读入网格文件，并进行网格质量检查。

3)选择计算模型，设为默认参数。

4)在流体库中设置空气与水蒸气的混合气体，确定混合气体的等压比热容为717 J/(kg·K)，热传导系数为0.045 W/(m·K)。

5)设置边界条件。

进风口:由导流板出口尺寸与形状计算其水力直径，查表估算出流体流动雷诺数Re，由I=0.16/计算出湍流强度I;出风口:设为自由出流边界条件及其默认参数;整流罩壳体:设为墙体边界条件，输入各部分传热系数;环境参数:环境温度和送风温湿度为现场测量数据。

6)由于不了解流场的实际情况，采用默认参数初始化。

7)将参数输入仿真模型进行求解，上星整流罩仿真模型运算到310次时达到收敛，下星整流罩运算到500次时也达到了残差小于10－3的要求。

3.5 Tecplot结果后处理

为了直观地显示整流罩仿真模型的计算结果，将Fluent软件仿真结果导入Tecplot软件，并将上下星容器合并以后，采用ISO等值面形式［2］将整流罩仿真模型的温湿度进行三维显示，如图4所示。

4 结果分析与验证

为检验整流罩空调系统仿真模型的准确性，利用现场测量的罩内温湿度数据，与仿真模型对应位置的计算结果进行对比(图5为切片模型)，结果见表1。

图4 卫星容器温度、湿度ISO等值面模型

图5 容器温度、湿度仿真结果切片

表1 仿真结果与实测数据对比

从表1可以看出，仿真模型的计算结果与实测数据基本一致，说明卫星容器通风系统仿真模型能够比较准确地反映容器内温湿度实际情况，能够直观展现容器内温湿度的分布特征。

5 结论与展望

本文以MEO双星容器为实例进行三维温湿度场的仿真模拟，并利用实测数据对仿真模型进行验证，分析认为:

1)利用仿真模型能够准确模拟罩内温湿度实际情况，与实测数据形成相互验证的冗余测量体系，提高数据可信度;利用该模型还可进行模拟操作训练，提高通风系统操控的训练水平;通过对各种工况条件和恶劣环境进行模拟，该模型还能够对通风系统的工况参数进行优化，并检验空调保障的极限能力。

2)在航天发射场地面设备中，低温/常规加注、液压、供配气、给排水等流体系统都可应用本文的数值模拟方法进行研究，为提高航天发射场信息化水平提供了一个有效的技术途径和实现手段，具有很好的实用价值和推广应用潜力。

［1］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004:1-4.

［2］王瑞金，张 凯，王 刚.Fluent技术基础与应用实例［M］.北京:清华大学出版社，2007:237-254.