带太阳能电池的高空气球平飞过程分布温度计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高空气球热控制技术领域，尤其涉及一种带太阳能电池的高空气球平 飞过程分布温度计算方法。
【背景技术】
[0002] 高空气球具有可定点飞行、滞空时间长和分辨率高等优点，在空中预警、监视监 测、民用通信等领域具有广泛应用前景，受到世界各主要强国的高度重视。
[0003] 高空气球在平飞过程中，环境温度、密度、压力、风速、太阳辐射、大气辐射和地面 辐射等因素会对高空气球温度特性产生影响。温度过高将提高高空气球内部氦气压力，对 高空气球产生重要影响：1、温度过高将改变高空气球球体材料承力特性、增大高空气球球 体热应力、增大高空气球球体张力，对高空气球球体的安全构成严重威胁；2、改变高空气球 受力状况，导致高空气球飞行高度波动，干扰高空气球执行任务。因此，准确获知高空气球 平飞过程中的温度特性，对高空气球结构设计、材料选择、飞行试验规划、规避潜在危险等 方面具有重要意义，而目前还没有一个系统性地计算带太阳能电池的高空气球平飞过程分 布温度的计算方法。
【发明内容】
[0004](一）要解决的技术问题
[0005]本发明的目的在于，提供一种带太阳能电池的高空气球平飞过程分布温度计算方 法，可快速而准确地获得带太阳能电池的高空气球平飞过程分布温度数据。
[0006](二）技术方案
[0007]本发明提供一种带太阳能电池的高空气球平飞过程分布温度计算方法，包括：
[0008]S1，根据高空气球飞行任务需求，计算高空气球飞行参数及高空气球设计参数；
[0009]S2,测量球体材料特性参数、太阳能电池特性参数及电池隔热材料特性参数；
[0010]S3,计算高空气球大气环境参数及高空气球辐射热环境参数；
[0011] S4,基于高空气球几何特征及传热模式，建立高空气球分布温度计算域，利用结构 化网格离散计算域，建立各微元的质量、动量和能量微分方程；
[0012] S5,根据高空气球球体材料和太阳能电池特性参数，联立求解计算域内所有微元 的方程组，计算高空气球平飞过程分布温度。
[0013] (三）有益效果
[0014]本发明可以快速和准确地获知带太阳能电池的高空气球平飞过程中的分布温度 特性，在带太阳能电池的高空气球结构设计、材料选择、飞行试验规划、规避潜在危险等方 面具有指导意义，可以提高带太阳能电池的高空气球设计一次成功率，缩短带太阳能电池 的高空气球设计周期，降低带太阳能电池的高空气球设计成本。
【附图说明】
[0015]图1是本发明实施例提供的带太阳能电池的高空气球结构示意图。
[0016] 图2是本发明实施例提供的带太阳能电池的高空气球平飞过程分布温度计算方 法流程图。
【具体实施方式】
[0017] 本发明提供一种带太阳能电池的高空气球平飞过程分布温度计算方法，其根据高 空气球飞行参数、高空气球设计参数、球体材料特性参数、太阳能电池特性参数及电池隔热 材料特性参数，计算大气环境参数及高空气球辐射热环境参数，并基于高空气球几何特征 及传热模式，建立高空气球分布温度计算域，利用结构化网格离散计算域，建立各微元的质 量、动量和能量微分方程，根据高空气球球体材料和太阳能电池特性参数，联立求解计算域 内所有微元的方程组，计算高空气球平飞过程分布温度。
[0018] 根据本发明的一种实施方式，温度计算方法包括：
[0019]S1，根据高空气球飞行任务需求，计算高空气球飞行参数及高空气球设计参数；
[0020] S2,测量球体材料特性参数、太阳能电池特性参数及电池隔热材料特性参数；
[0021] S3,计算高空气球大气环境参数及高空气球辐射热环境参数；
[0022] S4,基于高空气球几何特征及传热模式，建立高空气球分布温度计算域，利用结构 化网格离散计算域，建立各微元的质量、动量和能量微分方程；
[0023]S5,根据高空气球球体材料和太阳能电池特性参数，联立求解计算域内所有微元 的方程组，计算高空气球平飞过程分布温度。
[0024] 根据本发明的一种实施方式，高空气球飞行参数包括高空气球飞行时间、高空气 球飞行地点经度Lon、高空气球飞行地点炜度Lat、高空气球飞行海拔高度h和高空气球飞 行空速v;
[0025] 高空气球设计参数包括高空气球体积V、高空气球长度L、高空气球最大直径D、高 空气球表面积A和太阳能电池面积As。
[0026] 根据本发明的一种实施方式，球体材料特性参数包括球体材料表面吸收率α、球 体材料表面发射率ε、球体材料面密度ρ和球体材料比热容c;
[0027] 太阳能电池特性参数包括太阳能电池效率η、太阳能电池表面吸收率as、太阳能 电池表面发射率es、太阳能电池面密度Ps和太阳能电池比热容cs;
[0028] 电池隔热材料特性参数隔热材料特性参数包括隔热材料厚度δSI和隔热材料导 热系数λ5Ι。
[0029] 根据本发明的一种实施方式，高空气球大气环境参数包括高空气球飞行海拔高度 h处的大气温度TAtn、大气压力PAtn和大气密度PAtn，
[0030] 其中，大气温度TAtm的数学表达式为：
[0032] 大气压力PAtni的数学表达式为：
[0036] 高空气球热环境参数包括高空气球辐射热环境参数和对流换热环境参数，所述高 空气球辐射热环境参数包括太阳直接辐射热流qDS、大气散射太阳辐射热流qAS、地面反射 太阳辐射热流qt；_s、大气长波辐射热流qAIR和地面长波辐射热流qd
[0037] 太阳直接辐射热流qD_j^数学表达式为：
[0038] qD-s -I〇 ·τAtm，
[0039] 其中，I。为大气层上界太阳辐射强度，τAtni为太阳直接辐射衰减系数；
[0040] 所述大气散射太阳福射热流qA_s的数学表达式为：
[0041] qA-s=k.qD-s，
[0042] 其中，k为大气散射系数；
[0043]地面反射太阳辐射热流qt;_s的数学表达式为：
[0044] qG-s=IGr_d ·rGround ·τIR-G,
[0045] 其中，I&_d为抵达地球表面太阳直接辐射强度，r&_dS地球表面反射系数，τIR_ 为地球表面辐射衰减系数；
[0046] 所述大气长波福射热流数学表达式为：
[0047] qAJR =σ^f
[0048] 其中，〇为辐射常数，TAtn为大气温度；
[0049]地面长波辐射热流qt;_IR的数学表达式为：
[0051] 其中，T&_d为地面温度，εSround为地面发射率；
[0052] 根据本发明的一种实施方式，步骤S4包括：
[0053] 建立高空气球及其外流场区域，利用结构化网格将计算域划分为多个微元，分析 高空气球球体、太阳能电池、太阳能电池隔热材料、内部氦气微元传热过程，建立所有微元 的质量、动量和能量微分方程；
[0054] 其中，计算域内质量、动量和能量微分方程为：
[0055] 质量微分方程：
[0057] 动量微分方程：
[0061] 其中，T是温度，P是密度，(^是定压比热容，t代表时间，u代表流体速度矢量，k 是导热系数，Su代表动量广义源项，ST代表能量广义源项，μ是流体的粘度系数，P是流体 压力，X指代坐标向量；
[0062] 其中，太阳能电池微元i的能量广义源项表达式：
[0063] STSj；-Qs, i-D+Qs,i-Atm+Qs, i-IR-Atm+Qs, i-IR+Qs, i-Cond，
[0064] Qs,i_D是吸收太阳直接福射热量，Qs,i_Atm是吸收大气散射福射热量，Qs,i_IR_Atm是吸收 大气长波辐射热量，QSi ^^是对外界环境长波辐射热量，Q 是通过隔热层与球体的传导 换热热量。
[0065] 太阳能电池微元i的能量广义源项表达式中各项热量计算式列述如下：
[0066] 吸收太阳直接福射热量QSii_D:
[0067] Qs,lD=αs*Qd_s*ASjl ·Fss,
[0068] 其中，Fss是太阳能电池微元i外表面与太阳直接辐射的辐射角系数，ASil是太阳 能电池微元i外表面面积。
[0069] 吸收大气散射福射热量QSii_Atm:
[0070] QSl-Atn=aS·qIR-Atn ·ASil，
[0071] 吸收大气长波福射热量Qs, iJR_Atm:
[0072] Qs,i_IR_Atni-εS·QlR-Atm·As，i，
[0073] 对外界环境长波辐射热量Qs,lIR:
[0075] 其中，TSil是太阳能电池微元i的温度。
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