带太阳能电池的平流层飞艇平飞过程分布温度计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于飞艇热控制技术领域，尤其涉及一种带太阳能电池的平流层飞艇平飞 过程分布温度计算方法。
【背景技术】
[0002] 平流层飞艇具有可定点飞行、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] 平流层飞艇在平飞过程中，环境温度、密度、压力、风速、太阳辐射、大气辐射和地 面辐射等因素会对飞艇温度特性产生影响。温度过高将提高飞艇内部氦气压力，对飞艇产 生重要影响：1、温度过高将改变飞艇艇体材料承力特性、增大飞艇艇体热应力、增大飞艇艇 体张力，对飞艇艇体的安全构成严重威胁；2、改变飞艇受力状况，导致飞艇飞行高度波动， 干扰飞艇执行任务。因此，准确获知飞艇平飞过程中的温度特性，对飞艇结构设计、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 太阳能电池的平流层飞艇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平流层飞艇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平流层飞艇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平流层飞艇平飞过程分布温度计算方法，包括：
[0008] S1，根据飞艇飞行任务需求，计算飞艇飞行参数及飞艇设计参数；
[0009] S2,测量艇体材料特性参数、太阳能电池特性参数及电池隔热材料特性参数；
[0010] S3,计算飞艇大气环境参数及飞艇辐射热环境参数；
[0011] S4,基于飞艇几何特征及传热模式，建立飞艇分布温度计算域，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,根据飞艇艇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，计算飞艇平飞过程分布温度。
[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平流层飞艇平飞过程中的分布温 度特性，在带太阳能电池的平流层飞艇设计、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平流层飞艇设计一次成功率，缩短带太阳能电 池的平流层飞艇设计周期，降低带太阳能电池的平流层飞艇设计成本。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明实施例提供的带太阳能电池的平流层飞艇结构示意图。
[0016] 图2是本发明实施例提供的带太阳能电池的平流层飞艇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平流层飞艇平飞过程分布温度计算方法，其根据 飞艇飞行参数、飞艇设计参数、艇体材料特性参数、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飞艇辐射热环境参数，并基于飞艇几何特征及传热模式，建立 飞艇分布温度计算域，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，根据飞艇艇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 飞艇平飞过程分布温度。
[0018] 根据本发明的一种实施方式，温度计算方法包括：
[0019] S1，根据飞艇飞行任务需求，计算飞艇飞行参数及飞艇设计参数；
[0020] S2,测量艇体材料特性参数、太阳能电池特性参数及电池隔热材料特性参数；
[0021] S3,计算飞艇大气环境参数及飞艇辐射热环境参数；
[0022] S4,基于飞艇几何特征及传热模式，建立飞艇分布温度计算域，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,根据飞艇艇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，计算飞艇平飞过程分布温度。
[0024] 根据本发明的一种实施方式，飞艇飞行参数包括飞艇飞行时间、飞艇飞行地点经 度Lon、飞艇飞行地点炜度Lat、飞艇飞行海拔高度h和飞艇飞行空速v;
[0025] 飞艇设计参数包括飞艇体积V、飞艇长度L、飞艇最大直径D、飞艇表面积A和太阳 能电池面积As。
[0026] 根据本发明的一种实施方式，艇体材料特性参数包括艇体材料表面吸收率α、艇 体材料表面发射率ε、艇体材料面密度ρ和艇体材料比热容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λ5 Ι。
[0029] 根据本发明的一种实施方式，飞艇大气环境参数包括飞艇飞行海拔高度h处的大 气温度TAtni、大气压力PAtni和大气密度PAtni，
[0030] 其中，大气温度TAtm的数学表达式为：
[0031]
[0032] 大气压力PAtni的数学表达式为：
[0033]
[0034] 大气密度PAtni的数学表达式为：
[0035]
[0036] 飞艇热环境参数包括飞艇辐射热环境参数和对流换热环境参数，所述飞艇辐射热 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qt；_IR，
[0037] 太阳直接辐射热流qD_j^数学表达式为：
[0038] qD-s - I〇· τ Atm，
[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·7[1,
[0048] 其中，Ο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：
[0050] 9〇IR=Gvutinl*^IRG*
[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] 建立飞艇及其外流场区域，利用结构化网格将计算域划分为多个微元，分析飞艇 艇体、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：
[0059] 能量微分方程：
[0056]
[0057]
[0058]
[0060]
[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 是通过隔热层与艇体的传导 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] QSil-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:
[0074] _ -.
_
[0075] 其中，TSil是太阳能电池微元i的温度。
[0076] 通过隔热层与艇体的传导换热热量Qs,lCcind:
[0077]
[0078] 其中，TEnup是艇体微元j的温度，艇体微元j被太阳能电池微元i遮盖；
[0079] 其中，艇体上半部分被太阳能电池遮盖部分微元j的能