Performance simulation of high altitude scientific balloons

The design and operation of a high altitude scientific balloon requires adequate knowledge of the thermal characteristics of the balloon to make it safe and reliable. The thermal models and dynamic models of altitude scientific balloons are established in this paper. Based on the models, a simulation program is developed. The thermal performances of a super pressure balloon are simulated. The influence of film radiation property and clouds on balloon thermal behaviors is discussed in detail. The results are helpful for the design and operate of safe and reliable high altitude scientific balloons.     

A comprehensive numerical model examining the thermal performance of airships

A novel computational model for analyzing the airship’s transient thermal performance under different environmental conditions was developed. Radiative heat transfer and natural convection inside the airship were modeled using the control volume method. The Semi-Implicit Method aiming at the Pressure-Linked Equations algorithm was adopted to solve the control equations. Such approach was able to take into account the solar irradiative heat flux, the infrared radiation at different locations, and the convection both inside and outside the airship. The simulation results, showing the detailed distributions of temperature and velocity on the envelope and inside the airship, were in good agreement with the experimental measurements. The influences of solar position and material radiative properties on temperature distribution, as well as natural convective flow inside airship, were further simulated and discussed.     

Venus atmospheric platform options revisited

Various balloon systems intended as scientific platforms to float in the atmosphere of Venus at altitudes between about 35 and 65 km are briefly reviewed. Previous predictions of the altitude oscillations of balloons filled with helium gas and water vapor are largely confirmed through numerical simulation and analysis. The need for refined thermal modelling is emphasised. Several novel technical concepts are introduced. It is concluded that phase change balloons would be more suitable than non-condensing super pressure gas balloons when repeated altitude excursions are a mission requirement.     

某系留气球抗风性能仿真分析

系留气球以其显著特点已应用到许多领域,今后还会有大的发展。因所处环境的风力对飞行稳定性影响较大,故抗风能力成为系统重要指标。针对无法用实验手段进行验证的空中工作姿态,一般采取计算机仿真方法进行模拟研究。介绍了系留气球的设备组成,描述了空中飞行状态,通过建立动力学模型的数学方程式,施加1-consine型离散突风模型扰动,仿真了空中球体的俯仰角和滚转角随扰动时间的关系曲线,并对结果曲线进行分析研究,以期为同型系留气球的设计方法提供某种借鉴,为浮空器使用安全提供帮助。     

高空高速无人飞行器热控制系统设计

针对飞行时间短、速度和高度变化快、表面温度波动大的无人飞行器UAV(Unmanned Aerial Vehicles)热控制系统设计难题,提出了一种可解决实际工程问题的热分析计算方法.即把热天工况、冷天工况和标准天工况作为设计/试验工况;采用参考温度法、高超音速工程预测法或计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟法,确定了飞行器表面温度分布,并把其作为后续热分析数学模型的外边界条件;分析结构热容量对瞬态热载荷的影响,建立与之相应的边值问题方程,并采用有限差分法求解;根据高空高速飞行特点及瞬态热载荷值,确定仪器设备舱调温系统方案.     

引脚式表面贴装元件的数值热分析

建立了四边引线塑料扁平封装(PQFP, Plastic Quad Flat Package)数值热模拟的详细模型和简化模型,实验验证了这两种模型的模拟精度.对PQFP在机载恶劣环境下的稳态热性能进行了研究,分析了影响元件内、外热阻的各种因素.结果表明,内部采用多层结构设计是改善PQFP元件热性能的最佳方案,而在采用强迫空气冷却时,空气速度不应大于5m/s.对承受脉冲形式热载荷和环境温度随时间变化两种情况下的PQFP元件进行了瞬态热特性研究,获得了芯片结点温度随时间变化的曲线,可用于研究元件因过热引起的热应变、热损坏和电信号失真,为改进和优化元件热设计提供科学依据.      

空心阴极热特性优化研究

空心阴极常用于霍尔或离子电推进系统的电子源,其热特性对自身工作寿命和能效有重要影响。为考察工作过程中阴极的温度分布和热耗散特性,对空心阴极进行数值分析。采用等离子体流场计算数据与温度场计算数据互为输入条件,进行反复迭代的方式,计算稳态下阴极内部的温度场。为验证模型与计算代码的正确性,在真空舱内开展阴极的放电试验,利用热电偶与光学温度计对阴极5个测点进行测温,并将试验结果与计算结果进行比对。结果表明,计算的最大误差在5%以内。在此基础上,考察了不同结构、材料空心阴极内部的温度分布以及热耗散情况。当阴极整体长度由小变大时,阴极整体热耗散功率会先减小后增大,而采用发射率较高的外壳材料会提高阴极整体热耗散且降低整体温度。     

高可靠性航空电子设备热分析中的有限体积法

阐述了热对系统可靠性的影响,对比了数值法求解温度场分布的优缺点.针对航空电子设备热分析中同时要求满足高的分析精度和快的计算速度的问题,提出用有限体积法求解温度场分布的计算方法.根据典型航空电子设备的结构特点,建立了温度场的数学模型,给出了边界条件.在此基础上,用有限体积法对待求解方程离散化,给出了离散化过程中网格划分及边界的处理方法.结合实例进行了温度场求解,计算结果与热测量结果进行了对比,得到了较高的分析精度,验证了方法的有效性.最后对计算误差进行了分析,并提出了进一步热设计的合理化建议.      

Comportement thermique de ballons pressurises stratospheriques et flux infrarouge tellurique

Pumpkin shaped pressurized balloons (214m³) were launched from Pretoria during September 1978, to perform long duration flights at 95 mb level.On board instrumentation provided information on the general state of the balloon.A thermal model was carefully worked out so that the gas temperature could be related to thermal environment conditions, in which IR earth radiation is found.A balloon trajectory was established permitting the cross-checking of the information thus obtained with that provided by the METEOSAT satellite.The similar results observed enable the researcher to improve his knowledge of this balloon type's behaviour and, to a certain extent, the behaviour of the vehicle itself enables him to gather information on thermal environment conditions, especially IR earth radiation, at flight level.     

高空气球热力学模型与上升过程仿真分析

基于对高空气球热力学环境的分析,建立了热力学与动力学耦合的高空气球动力学模型;并采用该模型对某高空气球的上升与驻留过程进行仿真分析.结果表明:高空气球上升过程中内部氦气存在"超冷"现象,其中平流层区域"超冷"明显,氦气平均温差为-19 K;由于"超冷",其上升速度曲线呈双"V"形变化;强太阳辐射与弱对流环境使驻留过程中氦气呈现"超热"现象,平衡时氦气平均温度比环境温度高39 K,球内氦气超压648.8 Pa.数值仿真的速度、平均温度变化规律与相关飞行试验数据相吻合,说明该仿真模型是有效的.      

相变降温服热分析

为了研究相变材料降温服在高温高湿条件下的热防护性能和相变材料数值计算 方法应用于降温服传热计算的可行性,在分析服装传热传质特点及计算方法的基础上,利用 焓值分析法对服装中的相变材料建立传热模型,在整个区域建立统一的能量方程,在区域结 点进行离散,并进行隐式求解,得到焓的分布.建立了关于人体、降温服相变材料、人体着装 、环境的传热模型,用此模型进行高温高湿条件下的人体着装的动态仿真,并进行试验验证 .降温服计算和实验结果吻合良好,可以看出,相变降温服热分析方法可靠合理.      

双层乳胶气球的高空平漂机理及垂直轨迹模拟

双层乳胶气球克服了单层乳胶气球的缺点,可以在高空平漂以实现持续气象观测,但是其高空平漂受多因素影响比较复杂,特别是气球充气量主要依赖工程经验,施放成功率不高,亟需提供理论指导。通过试验数据证明了浮重平衡是双层乳胶气球实现高空平漂的必要条件,推导得出内、外球氢气充气量和昼夜温度变化对其运动的影响;建立了双层乳胶气球的几何模型和动力学模型,结合实地施放试验,对其升空和平漂过程轨迹进行模拟,由此探究了内、外球充气量对平漂高度的影响。研究结果表明:内球充气量是决定平漂高度的主要因素,并受昼夜温度变化影响,当内、外球规格分别为750g、500g,负载约1kg时,内球拉力每增大或减小0.04kg,最终平漂高度将对应升高或降低约5km,而外球充气量对其平漂高度无影响。      

蜂窝夹芯叠层板的低速冲击接触定律

借助于蜂窝夹芯叠层板（以下简称蜂窝板）的准静态横向压力实验,研究了蜂窝板的低速冲击接触规律,提出了半经验性的蜂窝板低速冲击接触定律,蜂窝板低速冲击接触过程分为四个阶段：即面反控制阶段;面板穿透阶段;蜂窝夹芯控制阶段;总体卸载阶段,并提出了相应各阶段的加载或卸载定律,应用此接触定律对蜂窝板的低速冲击过程进行动态有限元模拟分析,模拟计算结果与实验结果相比较具有良好的一致性。     

返回舱垂直自由入水砰击过程的数值模拟

文章数值研究返回舱垂直自由入水砰击过程中水气流场与返回舱运动之间的动力学与运动学耦合问题。水气两相流的流动方程选为非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS）方程和Realizable k-ε湍流模型,返回舱的运动方程选为刚体的一维平动方程,水气交界面的追踪采用流体体积函数（VOF）方法,返回舱与水面之间的相对运动采用动网格技术实现。在计算方法得到试验验证的基础上,数值研究了返回舱的不同触水速度、质量对入水过程中砰击力、加速度等参数的影响规律;给出了入水过程中加速度峰值与触水速度及质量之间的定量关系式;发现了返回舱底部的入水砰击压强峰值发生在入水初期,且压强峰值始终位于喷溅射流的根部。     

Experimental and numerical simulation of super-pressure balloon apex section: Mechanical behavior in realistic flight conditions

In order to predict the flight parameters and to improve the life time of long duration super-pressure balloon, a research program on modelization and experimental simulation of the balloon envelope mechanical behavior is carried out.The balloon is a 10 m diameter type made with multilayer polymeric films and tapes. A facility was developed to measure, via a stereo-correlation system, the 3D displacement and the in plane solicitation strain of a 1.5 m diameter balloon envelope part in realistic flight conditions, i.e. pressure, temperature and loading at the sample boundaries. A time dependant non-linear Maxwell model of the polymeric material behavior was identified from uniaxial creep and relaxation tests and implemented in a Finite Elements code, simulating the sample tested in the facility. The Poisson ratio of the transparent and supple balloon film has been measured with an image correlation system.Experimental results are obtained both at room and in cold conditions (−60 °C) for various values of differential pressure.Vertical displacement and in plane 2D strain of apex part deduced from the numerical modeling are compared to experimental results.     

龙卷风维持特性的探索

利用计算流体力学（CFD）方法建立了模拟龙卷风的装置模型。基于龙卷风在平面上的速度型,拟合成函数关系式,在三维CFD程序中设置初始速度场以及相关的边界条件,匹配不同的初始温度场进行了关于龙卷风维持和发展的一系列数值模拟。重现并利用漩涡管的Ranque-Hilsch效应以及汇流换热原理分析了本文2种不同的温度型对龙卷风内部流场变量随时间推移所发生的变化,同时揭示了龙卷风产生并维持下去的一种可能性,即冷热气流汇流换热生成温度场可能是产生和维持龙卷风的直接原因,并在此基础上提出使龙卷风削弱甚至消亡的方法,即破坏温度场。      

毛细泵环路系统运行特性的数值研究

给出了描述毛细泵环路(CPL)系统运行特性的非稳态模型,并运用该模型模拟了系统的启动过程,考察了储液罐中温度波动以及蒸发器上热负荷的突然改变对系统稳定性的影响;从数值模拟的角度更好地预测和分析CPL系统运行的过程和特点,该模型的数值结果与实验现象和实验数据相比有较好的一致性。通过该模型还可以进一步揭示CPL系统运行过程中启动困难、储液罐温度不能波动过大以及热流密度突然改变引起系统失效等内在原因,为设计出性能优良的CPL系统提供了理论依据。     

相变储热/辐射器式热沉的传热特性研究

对一种用于舱外活动的相变储热/辐射器式热沉进行了实验研究和数值模拟.设计了相变储热器的实验件和实验方案,进行了储热器的冷却实验.建立了具有导热与对流换热耦合边界的相变储热器数学模型,模型中考虑了自然对流及空穴的影响.编制了相变储热器的性能分析计算程序.通过实验值与计算值的比较分析,验证了程序的可靠性.该模型及计算程序为相变储热器的设计和优化提供了有利的分析工具.     

大速度桨毂振动载荷预计的影响因素

依据直升机大速度前飞状态的气动环境和桨叶运动,分析了非定常气动力模型、动态失速模型、诱导速度分布、桨叶弹性变形、桨毂力合成以及数值计算方法对旋翼振动载荷预计的影响.将Leishman和Beddoes气动模型、动态入流理论和桨叶挥舞运动综合计入载荷模型中,采用状态空间法对方程进行离散化处理,编制了相应的计算程序.计算结果表明采用不同的分析模型对旋翼振动载荷预计有较大影响,翼型失速是主要影响因素.