临近空间浮空器热特性及热控制研究

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临近空间浮空器具有滞空时间长、低成本和可重复使用等优点,在军事和民用领域都具有很大的发展潜力,因此近年来国内外对其开展了大量的研究。由于浮空器是依靠浮升气体产生浮力升空的飞行器,常具有很大的外型尺寸,这使得其热特性对其所处热环境极为敏感。浮空器热特性直接影响气囊内部气体密度,对气体压力和质量都有着重要的影响,进而影响浮空器的运动及控制,因此热特性研究对于浮空器极其重要。此外,为了满足载荷舱内仪器设备的正常工作,必须对其进行热控制,这也是浮空器技术的一个重要组成部分。因此,开展浮空器热特性及热控制方面的研究对浮空器技术的发展具有十分重要的意义。  基于上述认识,本文围绕着浮空器热特性及热控制的一些问题开展研究,主要工作和成果如下:  (1)建立了临近空间浮空器的运动及热力学模型,编写了仿真计算程序。用该程序对定点悬停时浮空器的热特性进行了计算,研究了蒙皮辐射物性参数以及浮空器体积对浮空器内部气体温度及蒙皮温度的影响。  (2)采用计算所得蒙皮温度分布作为边界条件,利用Fluent软件编写UDF对浮空器内部自然对流进行了数值模拟和研究,利用计算所得结果对现有的计算浮空器内部自然对流的模型进行了评价和分析,确定了最合适的计算公式。  (3)对水蒸气冷凝对浮空器在上升过程中的运动及热特性的影响进行了比较全面的计算和研究,分别对初始充入空气相对湿度为0、10%、50%和100%四种情况下浮空器的运动及热特性进行了计算和分析,同时还对恒定升速下水蒸气冷凝对浮空器热特性影响进行了计算。研究结果表明,水蒸气冷凝对浮空器运动及热特性的影响很大,对囊内气体温度、压力、密度、浮空器所受浮力以及运动特性等都会产生影响。  (4)对浮空器载荷舱热控系统进行了质量评估和分析,并针对临近空间特殊环境提出新的热控系统方案,同时还对空气循环热控系统中的重要部件——风冷式冷板进行了数值模拟研究,同时对相变冷板也进行模拟,对不同飞行高度下冷板的传热特性进行了计算和分析。  (5)对冷凝器设计所需用到的管内冷凝传热关联式进行了研究,收集了2563组管内冷凝实验数据建立起数据库,用此数据库对现有的29个冷凝传热关联式进行了评价和分析,找出预测性能较好的管内冷凝传热关联式,同时提出了新的更精确的管内冷凝传热关联式。
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