关于系留气球载荷整流罩散热方法探讨与仿真分析

徐亮　陆景松

【摘 要】本文对系留气球整流罩的两种典型散热方案进行数值模拟计算，对比两种散热方案各有优缺点，并针对不同使用环境提出建议。

【关键词】整流罩;散热;数值模拟;对比

中图分类号： V273 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0133-002

0 引言

系留气球是航空器的一种，其利用气球内部充入氦气或者其他浮升气体获取升力，一般搭载预警、通信、对抗或光电等任务载荷，升空到一定海拔高度执行任务，系留气球任务载荷装置外形并非流线型，一般采用在负载装置外侧布置整流罩的方法，以减弱系留气球负载装置对系留气球气动性能的影响[1-4]。由于负载装置一般具有较大功率，必须对整流罩内部进行散热，防止负载装置发生过热导致失效等不良情况。本文以某系留气球整流罩为研究对象，探讨其内部散热方法，并对方案进行数值仿真及分析。

1 数学模型

1.1 整流罩模型

系留气球整流罩为流线型，位于系留气球气囊底部，负载装置位于整流罩内部。负载装置功耗5kw，装置效率为80%，即装置发热功率为1kw。

根据分析，可选的散热方案有两种：（1） 整流罩连通阀与整流罩阀门形成流通，由系留气球气囊来风冷却整流罩内部，以下简称方案一，如图1所示;（2）整流罩风机与整流罩阀门形成流通，风机引进外界空气冷却整流罩内部，以下简称方案二，如图2所示。两种方案对比见下表所示。

采用夏季白天大气环境作为研究整流罩散热方案优劣的外界条件，大气温度取30℃，大气其他条件与标准大气一致。系留气球内气体白天存在超热情况，其内部气体温度取40℃。由于负载装置外形不规则，将其简化为圆球状，负载壁面及整流罩内部流场初始温度均取30℃，负载圆球壁面设置热流密度，其值由发热功率及圆球表面积确定。

1.2 数学模型

采用如下考虑粘性的连续性方程、动量方程及能量方程来描述流动区域的流动传热过程：

计算域内流体定义为不可压缩流体;考虑湍流效应，采用k-ε湍流模型;压力与速度耦合采用SIMPLE算法;流体入口采用速度入口边界条件，流体出口采用自由出口边界条件;负载装置采用固定热流密度边界条件，整流罩壁面采用固定温度边界条件，上侧与系留气球囊体连接面为40℃，其他部分为30℃。

由于主要研究气囊内部流体的流动和传热过程，计算区域内流动和传热过程采用文献[5]中的连续性方程、动量方程、能量方程来描述。

（1）连续性方程：

（2）动量守恒方程：

式中：f为流体单位体积的质量力，μ为流体的动力黏度，λ为流体的第2分子黏度，对于气体可取λ=-2/3。

（3）能量守恒方程

式中：cp为比热容，T为温度，λ为导热系数，ST为黏性耗散相。

在GAMBIT中选择用商用流体计算软件进行CFD计算，利用GAMBIT创建整流罩内气体的二维网格模型，根据整流罩的几何参数绘制出整流罩中心剖面图，按照格式化网格划分，网格的间距为10 mm。计算采用二维轴对称模型。方案一和方案二开口面积相等，方案一入口流量为0.15m3/s，方案二入口速度为0.2m3/s，根据流量设置入口速度。

2 计算结果及分析

2.1 计算结果

方案一、方案二的温度场计算结果分别见图3、图4所示。中间圆球部分为发热单元。由于鼓风机的入口速度大、温度低，方案二整流罩囊体内部温度比方案一低，方案二整流罩囊体内部的高温区域大。方案二整流罩囊体内平均温度为306K，方案一整流罩囊体内部平均温度309K。

方案一、方案二速度场情况分别见图5、图6所示。对比发现方案二气流主要部分流经发热单元，带走的热量较多，而方案一的入口气流只（下转第169页）（上接第134页）有小部分流经发热单元，带走的热量较少。

2.2 结果分析

从2.1节对比结果可得出方案二的整流罩内部环境温度低于方案一的，平均温度相差3度，有利于发热单元的辐射换热;另外方案二流体主要流经发热单元，有利于发热单元的对流换热。

根据上述分析，选择方案二的整流罩内部散热效果更好。另外对比两种方案重量功耗情况，方案一的总重量、总功耗占优。对于方案一建议将连通阀安装到散热单元附近有利于带走更多的热量。

3 结论

本文对系留气球整流罩散热方式提出以下建议：

（1）发热单元发热量大而对于重量、功耗要求不高的系留气球建议选择方案二对整流罩进行散热;

（2）发热单元发热量小建议选择方案一，有利于节省系留气球上能源消耗和减小负载重量。

【参考文献】

[1]张翠，陈付幸，邹涛.系留气球军事应用研究[J].浮空器研究，2008 VOL.2 No.4.

[2]Christopher Bolkcom，Potential Military Use of Airships and Aerostat [R].CRS Report for Congress，Sep 2006.

[3]陆汝玉.美国420K型系留气球高空固定平台简介[J].雷达与电子戰，1995（1）：40-48.

[4]TCOM techered aerostats[G].Janes Unmanned Aerial Vehicles And Targets，Jan 2008.

[5]黄卫星，陈文梅.工程流体力学[M].北京：化学工业出版社，2001.