帶太陽能電池的高空氣球平飛過程分布溫度計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高空氣球熱控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶太陽能電池的高空氣球平 飛過程分布溫度計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高空氣球具有可定點(diǎn)飛行、滯空時間長和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在空中預(yù)警、監(jiān)視監(jiān) 測、民用通信等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，受到世界各主要強(qiáng)國的高度重視。
[0003] 高空氣球在平飛過程中，環(huán)境溫度、密度、壓力、風(fēng)速、太陽輻射、大氣輻射和地面 輻射等因素會對高空氣球溫度特性產(chǎn)生影響。溫度過高將提高高空氣球內(nèi)部氦氣壓力，對 高空氣球產(chǎn)生重要影響：1、溫度過高將改變高空氣球球體材料承力特性、增大高空氣球球 體熱應(yīng)力、增大高空氣球球體張力，對高空氣球球體的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅；2、改變高空氣球 受力狀況，導(dǎo)致高空氣球飛行高度波動，干擾高空氣球執(zhí)行任務(wù)。因此，準(zhǔn)確獲知高空氣球 平飛過程中的溫度特性，對高空氣球結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、飛行試驗(yàn)規(guī)劃、規(guī)避潛在危險等 方面具有重要意義，而目前還沒有一個系統(tǒng)性地計算帶太陽能電池的高空氣球平飛過程分 布溫度的計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一）要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種帶太陽能電池的高空氣球平飛過程分布溫度計算方 法，可快速而準(zhǔn)確地獲得帶太陽能電池的高空氣球平飛過程分布溫度數(shù)據(jù)。
[0006](二）技術(shù)方案
[0007]本發(fā)明提供一種帶太陽能電池的高空氣球平飛過程分布溫度計算方法，包括：
[0008]S1，根據(jù)高空氣球飛行任務(wù)需求，計算高空氣球飛行參數(shù)及高空氣球設(shè)計參數(shù)；
[0009]S2,測量球體材料特性參數(shù)、太陽能電池特性參數(shù)及電池隔熱材料特性參數(shù)；
[0010]S3,計算高空氣球大氣環(huán)境參數(shù)及高空氣球輻射熱環(huán)境參數(shù)；
[0011] S4,基于高空氣球幾何特征及傳熱模式，建立高空氣球分布溫度計算域，利用結(jié)構(gòu) 化網(wǎng)格離散計算域，建立各微元的質(zhì)量、動量和能量微分方程；
[0012] S5,根據(jù)高空氣球球體材料和太陽能電池特性參數(shù)，聯(lián)立求解計算域內(nèi)所有微元 的方程組，計算高空氣球平飛過程分布溫度。
[0013] (三）有益效果
[0014]本發(fā)明可以快速和準(zhǔn)確地獲知帶太陽能電池的高空氣球平飛過程中的分布溫度 特性，在帶太陽能電池的高空氣球結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、飛行試驗(yàn)規(guī)劃、規(guī)避潛在危險等方 面具有指導(dǎo)意義，可以提高帶太陽能電池的高空氣球設(shè)計一次成功率，縮短帶太陽能電池 的高空氣球設(shè)計周期，降低帶太陽能電池的高空氣球設(shè)計成本。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的帶太陽能電池的高空氣球結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的帶太陽能電池的高空氣球平飛過程分布溫度計算方 法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明提供一種帶太陽能電池的高空氣球平飛過程分布溫度計算方法，其根據(jù)高 空氣球飛行參數(shù)、高空氣球設(shè)計參數(shù)、球體材料特性參數(shù)、太陽能電池特性參數(shù)及電池隔熱 材料特性參數(shù)，計算大氣環(huán)境參數(shù)及高空氣球輻射熱環(huán)境參數(shù)，并基于高空氣球幾何特征 及傳熱模式，建立高空氣球分布溫度計算域，利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散計算域，建立各微元的質(zhì) 量、動量和能量微分方程，根據(jù)高空氣球球體材料和太陽能電池特性參數(shù)，聯(lián)立求解計算域 內(nèi)所有微元的方程組，計算高空氣球平飛過程分布溫度。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，溫度計算方法包括：
[0019]S1，根據(jù)高空氣球飛行任務(wù)需求，計算高空氣球飛行參數(shù)及高空氣球設(shè)計參數(shù)；
[0020] S2,測量球體材料特性參數(shù)、太陽能電池特性參數(shù)及電池隔熱材料特性參數(shù)；
[0021] S3,計算高空氣球大氣環(huán)境參數(shù)及高空氣球輻射熱環(huán)境參數(shù)；
[0022] S4,基于高空氣球幾何特征及傳熱模式，建立高空氣球分布溫度計算域，利用結(jié)構(gòu) 化網(wǎng)格離散計算域，建立各微元的質(zhì)量、動量和能量微分方程；
[0023]S5,根據(jù)高空氣球球體材料和太陽能電池特性參數(shù)，聯(lián)立求解計算域內(nèi)所有微元 的方程組，計算高空氣球平飛過程分布溫度。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，高空氣球飛行參數(shù)包括高空氣球飛行時間、高空氣 球飛行地點(diǎn)經(jīng)度Lon、高空氣球飛行地點(diǎn)煒度Lat、高空氣球飛行海拔高度h和高空氣球飛 行空速v;
[0025] 高空氣球設(shè)計參數(shù)包括高空氣球體積V、高空氣球長度L、高空氣球最大直徑D、高 空氣球表面積A和太陽能電池面積As。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，球體材料特性參數(shù)包括球體材料表面吸收率α、球 體材料表面發(fā)射率ε、球體材料面密度ρ和球體材料比熱容c;
[0027] 太陽能電池特性參數(shù)包括太陽能電池效率η、太陽能電池表面吸收率as、太陽能 電池表面發(fā)射率es、太陽能電池面密度Ps和太陽能電池比熱容cs;
[0028] 電池隔熱材料特性參數(shù)隔熱材料特性參數(shù)包括隔熱材料厚度δSI和隔熱材料導(dǎo) 熱系數(shù)λ5Ι。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，高空氣球大氣環(huán)境參數(shù)包括高空氣球飛行海拔高度 h處的大氣溫度TAtn、大氣壓力PAtn和大氣密度PAtn，
[0030] 其中，大氣溫度TAtm的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0032] 大氣壓力PAtni的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0036] 高空氣球熱環(huán)境參數(shù)包括高空氣球輻射熱環(huán)境參數(shù)和對流換熱環(huán)境參數(shù)，所述高 空氣球輻射熱環(huán)境參數(shù)包括太陽直接輻射熱流qDS、大氣散射太陽輻射熱流qAS、地面反射 太陽輻射熱流qt；_s、大氣長波輻射熱流qAIR和地面長波輻射熱流qd
[0037] 太陽直接輻射熱流qD_j^數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0038] qD-s -I〇 ·τAtm，
[0039] 其中，I。為大氣層上界太陽輻射強(qiáng)度，τAtni為太陽直接輻射衰減系數(shù)；
[0040] 所述大氣散射太陽福射熱流qA_s的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0041] qA-s=k.qD-s，
[0042] 其中，k為大氣散射系數(shù)；
[0043]地面反射太陽輻射熱流qt;_s的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0044] qG-s=IGr_d ·rGround ·τIR-G,
[0045] 其中，I&_d為抵達(dá)地球表面太陽直接輻射強(qiáng)度，r&_dS地球表面反射系數(shù)，τIR_ 為地球表面輻射衰減系數(shù)；
[0046] 所述大氣長波福射熱流數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0047] qAJR =σ^f
[0048] 其中，〇為輻射常數(shù)，TAtn為大氣溫度；
[0049]地面長波輻射熱流qt;_IR的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0051] 其中，T&_d為地面溫度，εSround為地面發(fā)射率；
[0052] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，步驟S4包括：
[0053] 建立高空氣球及其外流場區(qū)域，利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格將計算域劃分為多個微元，分析 高空氣球球體、太陽能電池、太陽能電池隔熱材料、內(nèi)部氦氣微元傳熱過程，建立所有微元 的質(zhì)量、動量和能量微分方程；
[0054] 其中，計算域內(nèi)質(zhì)量、動量和能量微分方程為：
[0055] 質(zhì)量微分方程：
[0057] 動量微分方程：
[0061] 其中，T是溫度，P是密度，(^是定壓比熱容，t代表時間，u代表流體速度矢量，k 是導(dǎo)熱系數(shù)，Su代表動量廣義源項(xiàng)，ST代表能量廣義源項(xiàng)，μ是流體的粘度系數(shù)，P是流體 壓力，X指代坐標(biāo)向量；
[0062] 其中，太陽能電池微元i的能量廣義源項(xiàng)表達(dá)式：
[0063] STSj；-Qs, i-D+Qs,i-Atm+Qs, i-IR-Atm+Qs, i-IR+Qs, i-Cond，
[0064] Qs,i_D是吸收太陽直接福射熱量，Qs,i_Atm是吸收大氣散射福射熱量，Qs,i_IR_Atm是吸收 大氣長波輻射熱量，QSi ^^是對外界環(huán)境長波輻射熱量，Q 是通過隔熱層與球體的傳導(dǎo) 換熱熱量。
[0065] 太陽能電池微元i的能量廣義源項(xiàng)表達(dá)式中各項(xiàng)熱量計算式列述如下：
[0066] 吸收太陽直接福射熱量QSii_D:
[0067] Qs,lD=αs*Qd_s*ASjl ·Fss,
[0068] 其中，F(xiàn)ss是太陽能電池微元i外表面與太陽直接輻射的輻射角系數(shù)，ASil是太陽 能電池微元i外表面面積。
[0069] 吸收大氣散射福射熱量QSii_Atm:
[0070] QSl-Atn=aS·qIR-Atn ·ASil，
[0071] 吸收大氣長波福射熱量Qs, iJR_Atm:
[0072] Qs,i_IR_Atni-εS·QlR-Atm·As，i，
[0073] 對外界環(huán)境長波輻射熱量Qs,lIR:
[0075] 其中，TSil是太陽能電池微元i的溫度。
[0