技术领域
[0001] 本
发明属于高空气球热控制技术领域，尤其涉及一种浮空器结冰特性数值仿真与试验验证系统。
背景技术
[0002] 浮空器的内部填充
密度低于空气的浮升气体从而获得浮升
力，实现浮空器的升空和高空驻留飞行，在升空和高空飞行时，浮空器经过
云层且
温度较低时，
外壳表面会结冰，而浮空器结冰后对浮空器飞行特性影响较大，目前还没有一个能够全面地测试和估算浮空器结冰特性的数值仿真与试验验证系统。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服
现有技术的
缺陷，提供一种能够全面地测试和估算浮空器结冰特性的数值仿真与试验验证系统。
[0004] 本发明的技术方案是：一种浮空器结冰特性的数值仿真与试验验证系统，包括：
[0005] 浮空器结冰特性计算模型，所述浮空器结冰特性计算模型用于通过数值仿真的方式获得浮空器结冰数据；
[0006] 浮空器结冰特性试验系统，所述浮空器结冰特性试验系统用于通过物理模拟试验获得浮空器结冰特性数据；
[0007] 通过数值仿真的方式获得浮空器结冰数据和通过物理模拟试验获得浮空器结冰特性数据相互验证，相互完善，从而为深入研究和准确分析浮空器的结冰特性提供数值仿真的依据和试验验证的依据。
[0008] 进一步地，所述浮空器结冰特性试验系统包括：浮空器，结冰特性试验对象；
水滴喷射器，用于模拟降雨状态；环境
数据采集模
块，用来测量环境数据；浮空器压差数据采集模块，用于测量浮空器内外压差；拉力测试模块，用于测量浮空器的浮升力；数据存储和处理模块，用于存储和处理各个模块传输来的数据；试验状态记录模块，用于记录试验过程中浮空器结冰特性的变化情况；低温环境实验室，用于提供0-20℃的室内温度；其中，所述水滴喷射器设置在所述浮空器的上方，所述环境数据采集模块、浮空器压差数据采集模块、拉力测试模块与所述数据存储和处理模块相连，所述拉力测试模块与所述浮空器的系留绳相连。
[0009] 进一步地，所述浮空器包括
飞艇、系留气球、零压气球或超压气球。
[0010] 进一步地，所述浮空器结冰特性计算模型包括：浮空器温度场-流场特性计算模块，浮空器
过冷水滴撞击特性计算模块，浮空器表面冰型生长计算模块。
[0011] 进一步地，浮空器结冰特性计算模型的建模包括：根据浮空器飞行任务需求，计算浮空器飞行参数及设计参数；计算浮空器大气环境参数和热环境参数；基于浮空器几何特征及
传热模式，建立浮空器温度场-流场特性计算模块。
[0012] 进一步地，浮空器结冰特性计算模型的建模包括：利用浮空器温度场-流场特性计算模块，建立浮空器过冷水滴撞击特性计算模块。、
[0013] 进一步地，浮空器结冰特性计算模型的建模包括：利用浮空器温度场-流场特性计算模块、浮空器过冷水滴撞击特性模块，建立浮空器表面冰型生长计算模块。
[0014] 进一步地，所述浮空器结冰特性数据包括浮空器表面的结冰厚度和结冰分布。
[0015] 进一步地，浮空器结冰特性试验系统的试验工况与浮空器结冰特性计算模型的边界条件相同。
[0016] 本发明具有以下有益效果：通过数值仿真的方式获和物理模拟试验两种方式获得浮空器结冰特性数据，数值仿真得到的计算结果和物理模拟试验的试验结果相互印证和完善，从而深入研究和准确分析浮空器的结冰特性。
附图说明
[0017] 图1是浮空器结冰特性计算模型的组成示意图。
[0018] 图2是浮空器结冰特性计算方法的流程示意图。
[0019] 图3是艇形浮空器结冰特性试验系统结构示意图。
[0020] 图4是球形浮空器结冰特性试验系统结构示意图。
[0021] 其中，上述附图包括以下附图标记：1、浮空器；2、水滴喷射器；3、环境数据采集模块；4、浮空器压差数据采集模块；5、拉力测试模块；6、数据存储和处理模块；7、试验状态记录模块；8、低温环境实验室。
具体实施方式
[0022] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的
实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023] 一种浮空器结冰特性的数值仿真与试验验证系统，包括浮空器结冰特性计算模型和浮空器结冰特性试验系统，浮空器结冰特性计算模型用于通过数值仿真的方式获得浮空器结冰数据，浮空器结冰特性试验系统用于通过物理模拟试验获得浮空器结冰特性数据，数值仿真得到的计算结果和物理模拟试验的试验结果相互印证和完善，从而深入研究和分析浮空器的结冰特性。
[0024] 浮空器表面结冰过程可以划分为三个步骤：(1)过冷水滴在浮空器周边流场中流动而撞击浮空器迎
风面；(2)撞击到浮空器迎风面的过冷水滴有一部分贴附在浮空器表面形成水膜流动，有一部分被反弹飞溅离开浮空器表面；(3)贴附在浮空器表面的水膜经过换热后结冰。
[0025] 根据以上三个步骤，将浮空器结冰特性计算模型包括三个计算模块，分别是浮空器温度场-流场特性计算模块，浮空器过冷水滴撞击特性计算模块以及浮空器表面冰型生长计算模块，各模块之间的关系如图1所示。
[0026] 浮空器结冰特性计算模型的建模方法，包括以下步骤：
[0027] S100，根据浮空器飞行任务需求，计算浮空器飞行参数及设计参数；
[0028] 浮空器的飞行参数包括浮空器的飞行时间、浮空器的飞行地点经度、浮空器的飞行地点纬度、浮空器的飞行海拔高度和浮空器的飞行
空速；
[0029] 浮空器的设计参数包括浮空器的体积、浮空器的长度、浮空器的最大直径、浮空器的表面积和
太阳能电池面积。
[0030] S200，计算浮空器大气环境参数和热环境参数；
[0031] 浮空器的大气环境参数包括浮空器的飞行海拔高度处的大气温度、
大气压力和大气密度；
[0032] 浮空器的热环境参数包括浮空器的
辐射热环境参数和
对流换热环境参数，所述浮空器的辐射热环境参数包括太阳直接辐射热流、大气散射
太阳辐射热流、地面反射太阳辐射热流、大气长波辐射热流和地面长波辐射热流。
[0033] S300，基于浮空器几何特征及传热模式，建立浮空器温度场-流场特性计算模块；
[0034] 利用CATIA
软件创建浮空器的三维模型，将所述三维模型导入CFD/ICEM软件创建计算域，生成非结构网格以离散计算域，完成浮空器有限元模型的建模。
[0035] 在CFD/Fluent软件中，基于三维纳维-斯托克斯方程，将浮空器的辐射热环境参数和对流换热环境参数作为边界条件，加载在浮空器的有限元模型上，温度场-流场的耦合特性利用基于压力的半隐式分离求解法(SIMPLE)解算，利用二阶离散格式离散对流项和扩散项，从而完成浮空器温度场-流场特性计算模块的建立。
[0036] S400，利用浮空器温度场-流场特性计算模块，建立浮空器过冷水滴撞击特性计算模块；
[0037] 将CFD/FLUENT中的浮空器有限元模型和外流场数据的计算结果导入FENSAP-ICE软件，在FENSAP-ICE软件中，基于欧拉两相流理论，以及一些合理的设定，建立过冷水滴流动
质量和动量守恒方程，从而完成浮空器过冷水滴撞击特性计算模块的建立；
[0038] 所述合理的设定包括：
[0039] 过冷水滴形状为球形；
[0040] 过冷水滴在浮空器的周边流场中流动时，在撞击或流过浮空器的表面之前，不发生
变形，不与环境换热；
[0041] 浮空器的流场的湍动对过冷水滴流场无影响。
[0042] S500，利用浮空器温度场-流场特性计算模块、浮空器过冷水滴撞击特性模块，建立浮空器表面冰型生长计算模块，从而完成浮空器结冰特性计算模型的建模。
[0043] 将CFD/FLUENT中的浮空器有限元模型和外流场数据的计算结果导入FENSAP-ICE软件，以及过冷水滴撞击计算模块的计算结果，在FENSAP-ICE软件中，利用浮空器的温度场-流场计算模块得到浮空器的表面温度、摩擦阻力和热流数据，利用过冷水滴撞击计算模块得到浮空器的表面过冷水滴收集系数，建立浮空器的表面冰型生长的质量和
能量守恒方程，从而完成浮空器表面冰型生长计算模块的建立；
[0044] 通过浮空器结冰特性计算模型，根据浮空器材料热特性参数，联立求解计算模块内所有微元的方程组，可计算出浮空器结冰特性数据，浮空器结冰特性数据包括浮空器表面的结冰厚度和结冰分布，为浮空器试验提供数值计算的依据。
[0045] 浮空器结冰特性试验系统，包括浮空器1，水滴喷射器2，环境数据采集模块3，浮空器压差数据采集模块4，拉力测试模块5，数据存储和处理模块6，试验状态记录模块7、低温环境实验室8八个模块。
[0046] 环境数据采集模块3、浮空器压差数据采集模块4、拉力测试模块5与数据存储和处理模块7相连，拉力测试模块5与浮空器的系留绳相连，用于测量浮空器的浮升力数据，浮空器的浮生力等于浮空器的
浮力减去浮空器的重力。
[0047] 浮空器1是结冰特性试验对象，包括飞艇、系留气球、零压气球或超压气球等浮空器。
[0048] 水滴喷射器2设置在浮空器1的上方，水滴喷射器2由主管道和一系列喷头组成，用于模拟降雨状态，喷头喷出的为空气和水滴的混合
流体，通过调节喷头可以调节混合流体中的水滴直径、喷水含量和流速，喷水含量是指每立方米空气中含有的水滴质量。
[0049] 环境数据采集模块3，由环境大气温度、环境大气压力、环境大气湿度、环境风速风向测试仪器组成，用来测量环境大气温度数据、环境大气压力数据、环境大气湿度数据和环境风速风向数据。
[0050] 浮空器压差数据采集模块4，包括压差
传感器，用于测量浮空器内外压差。
[0051] 拉力测试模块5，包括
张力计，用于测量浮空器的浮升力数据。
[0052] 数据存储和处理模块6，主要由计算机
硬件和
数据处理软件组成，用于存储和处理各个模块传输来的数据。
[0053] 试验状态记录模块7，由两架摄像机组成，用于记录试验过程中，浮空器结冰特性变化情况。
[0054] 低温环境实验室8，用于提供0-20℃的室内温度。
[0055] 采集所有数据并存于计算机中，试验数据用来验证和完善浮空器结冰特性计算模型。
[0056] 利用浮空器结冰特性试验系统，可以进行浮空器结冰特性的试验，包括以下步骤：
[0057] 步骤S1，将数据采集仪器与数据存储和处理模块连接，并调试运行状态。
[0058] 步骤S101,将环境数据采集模块、浮空器压差数据采集模块、拉力测试模块连接到数据存储和处理模块，开启环境数据采集模块、浮空器压差数据采集模块、拉力测试模块，确保环境数据采集模块，拉力测试模块功能正常，采集数据准确；
[0059] 步骤S102,调试试验状态记录模块，确保试验状态记录模块功能正常；
[0060] 步骤S2，准备低温环境实验室。
[0061] 步骤S201，开启低温环境实验室，确保低温环境实验室功能正常，可以调节室温；
[0062] 步骤S202，根据试验需求，调节室温。
[0063] 步骤S3，调试水滴喷射器。
[0064] 步骤S301，开启水滴喷射器，确保水滴喷射器功能正常，可以调节喷出的水滴直径、喷水含量和流速；
[0065] 步骤S302，根据试验需求，调节喷出的水滴直径、喷水含量和流速。
[0066] 步骤S4，在浮空器上安装数据采集模块，并调试浮空器。
[0067] 步骤S401，在浮空器上安装浮空器压差数据采集模块，浮空器压差数据采集模块连接到数据采集和处理模块；
[0068] 步骤S402，往浮空器充入氦气，将浮空器移到水滴喷射器下方，将浮空器连接到拉力测试模块上再固定在地面；
[0069] 步骤S5，测试浮空器结冰特性，浮空器结冰特性试验的试验工况与浮空器结冰特性计算模型的边界条件相同。
[0070] 浮空器表面结冰特性受
环境温度、浮空器压差、水滴直径、喷水含量、流速和结冰时间等六个因素的影响，本试验方法采用单一变量法，定量地测试单独每种因素对浮空器结冰特性的影响，设定环境温度、浮空器压差、水滴直径、喷水含量、流速和结冰时长的基准值，保持其中五个变量不变并保持基准值，使第六个变量单独变化，变化的数值围绕基准值上下浮动。
[0071] 步骤S510，在相同环境温度、浮空器压差、水滴直径、喷水含量、流速条件下，即环境温度、浮空器压差、水滴直径、喷水含量、流速为基准值时，测试不同结冰时长条件下，浮空器结冰特性的变化。
[0072] 步骤S511，开启环境实验室，将室内温度调节到试验所需的环境温度，设置浮空器压差为基准值，测试浮空器在没有结冰时的浮升力；
[0073] 步骤S512，保持水滴直径、喷水含量、流速和浮空器压差为基准值，测试浮空器浮升力随结冰时间的变化；
[0074] 步骤S513，将511测量的浮空器浮升力数据减去512测量的浮空器浮升力数据，得到在一定环境温度、水滴直径、喷水含量、流速和浮空器压差条件下，不同结冰时长条件下浮空器表面的结冰质量；
[0075] 步骤S514，完成步骤S513之后，将浮空器表面水膜擦拭干净。
[0076] 步骤S520，重复步骤510，固定其他五个参量，将变量依次换成环境温度、浮空器压差、水滴直径、喷水含量、流速，测量每种因素影响下的浮空器表面结冰特性。
[0077] 步骤S5还包括在试验过程中，使用试验状态记录模块记录试验过程中浮空器结冰状态的变化情况。
[0078] 步骤S6，试验完成后对试验数据进行处理和分析，从而与浮空器结冰特性计算模型计算结果相互验证和相互完善。
[0079] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
