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一种浮空器结冰特性计算方法和计算模型

阅读：641发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种浮空器结冰特性计算方法和计算模型专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种浮空器结冰特性计算方法和计算模型，所述计算模型包括：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。通过所述计算方法和计算模型可以准确估算浮空器表面的结冰厚度和结冰分布，为浮空器试验的设计提供数据支撑，保障试验的顺利进行。，下面是一种浮空器结冰特性计算方法和计算模型专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种浮空器结冰特性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
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；
S200，计算浮空器大气环境参数和热环境参数；
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；
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；
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；
S600，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，从而计算出浮空器结冰特性数据。
2.根据权利要求1所述的一种浮空器结冰特性计算方法，其特征在于，所述浮空器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。
3.根据权利要求1所述的一种浮空器结冰特性计算方法，其特征在于，所述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。
4.根据权利要求1所述的一种浮空器结冰特性计算方法，其特征在于，所述浮空器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。
5.根据权利要求1所述的一种浮空器结冰特性计算方法，其特征在于，所述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。
6.根据权利要求5所述的一种浮空器结冰特性计算方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述的一种浮空器结冰特性计算方法，其特征在于，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。
8.根据权利要求1所述的一种浮空器结冰特性计算方法，其特征在于，所述步骤S300包括建立浮空器的有限元模型。
9.一种浮空器结冰特性计算模型，其特征在于，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。

说明书全文

一种浮空器结冰特性计算方法和计算模型

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计算方法和计算模型。

背景技术

[0002] 浮空器利用内部填充密度低于空气的浮升气体获得浮升力实现升空和高空驻留飞行，浮空器在飞行过程中有结冰的风险，目前还没有一个系统性地计算浮空器结冰特性计算方法和计算模型。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种浮空器结冰特性计算方法和计算模型。

[0004] 本发明的技术方案是：一种浮空器结冰特性计算方法，包括以下步骤：

[0005] 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；

[0006] S200，计算浮空器大气环境参数和热环境参数；

[0007] 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；

[0008] 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；

[0009] 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；

[0010] S600，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，从而计算出浮空器结冰特性数据。

[0011] 进一步地，所述浮空器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。

[0012] 进一步地，所述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。

[0013] 进一步地，所述浮空器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。

[0014] 进一步地，所述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。

[0015] 进一步地，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。

[0016] 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。

[0017] 进一步地，所述步骤S300包括建立浮空器的有限元模型。

[0018] 本发明提供了一种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。

[0019] 本发明具有以下有益效果：提供了一种系统性地计算浮空器结冰特性计算方法和计算模型，可以准确估算浮空器表面的结冰厚度和结冰分布，为浮空器试验的设计提供数据支撑，保障试验的顺利进行。附图说明

[0020] 图1是浮空器结冰特性计算模型的组成示意图。

[0021] 图2是浮空器结冰特性计算方法的流程示意图。

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] 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。

[0024] 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。

[0025] 基于浮空器结冰特性计算模型，本发明还提供了一种浮空器结冰特性计算方法，包括以下步骤：

[0026] 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；

[0027] 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；

[0028] 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。

[0029] S200，计算浮空器大气环境参数和热环境参数；

[0030] 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；

[0031] 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。

[0032] 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；

[0033] 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。

[0034] 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。

[0035] 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；

[0036] 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；

[0037] 所述合理的设定包括：

[0038] 过冷水滴形状为球形；

[0039] 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；

[0040] 浮空器的流场的湍动对过冷水滴流场无影响。

[0041] 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；

[0042] 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；

[0043] S600，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，从而计算出浮空器结冰特性数据。

[0044] 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。

[0045] 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。

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