空氣球內(nèi)部氦氣超壓超過(guò)300Pa時(shí)候，氦氣閥門打開(kāi)，排出部 分氦氣，至超壓量等于300Pa時(shí)閥門關(guān)閉。
[0249] 氦氣質(zhì)量流量計(jì)算式為：
[0251] 其中，P%是氦氣密度，A 是氦氣閥門面積，k是氦氣閥門流量系數(shù)。
[0252] 內(nèi)部氦氣溫度和速度通過(guò)求解球體內(nèi)部流體微元內(nèi)質(zhì)量、動(dòng)量以及能量微分方程 獲得。
[0253] 輸入高空氣球設(shè)計(jì)參數(shù)、飛行任務(wù)參數(shù)，加載微元的熱邊界條件，通過(guò)微元之間能 量數(shù)據(jù)傳遞，聯(lián)立求解微元能量方程組，計(jì)算高空氣球平飛過(guò)程分布溫度分布數(shù)據(jù)。
[0254] 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種帶太陽(yáng)能電池的高空氣球平飛過(guò)程分布溫度計(jì)算方法，其特征在于，包括： S1，根據(jù)高空氣球飛行任務(wù)需求，計(jì)算高空氣球飛行參數(shù)及高空氣球設(shè)計(jì)參數(shù)； 52, 測(cè)量球體材料特性參數(shù)、太陽(yáng)能電池特性參數(shù)及電池隔熱材料特性參數(shù)； 53, 計(jì)算高空氣球大氣環(huán)境參數(shù)及高空氣球福射熱環(huán)境參數(shù)； 54, 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(jì)算域，利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng) 格離散計(jì)算域，建立各微元的質(zhì)量、動(dòng)量和能量微分方程； 55, 根據(jù)高空氣球球體材料和太陽(yáng)能電池特性參數(shù)，聯(lián)立求解計(jì)算域內(nèi)所有微元的方 程組，計(jì)算高空氣球平飛過(guò)程分布溫度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度計(jì)算方法，其特征在于，所述高空氣球飛行參數(shù)包括高 空氣球飛行時(shí)間、高空氣球飛行地點(diǎn)經(jīng)度Lon、高空氣球飛行地點(diǎn)締度Lat、高空氣球飛行 海拔高度h和高空氣球飛行空速V; 所述高空氣球設(shè)計(jì)參數(shù)包括高空氣球體積V、高空氣球長(zhǎng)度^高空氣球最大直徑D、高 空氣球表面積A和太陽(yáng)能電池面積As。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度計(jì)算方法，其特征在于，所述球體材料特性參數(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P和球體材料比熱容C; 所述太陽(yáng)能電池特性參數(shù)包括太陽(yáng)能電池效率η、太陽(yáng)能電池表面吸收率as、太陽(yáng)能 電池表面發(fā)射率￡s、太陽(yáng)能電池面密度Ps和太陽(yáng)能電池比熱容Cs; 所述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)λ5_ι。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫度計(jì)算方法，其特征在于，所述高空氣球大氣環(huán)境參數(shù)包 括高空氣球飛行海拔高度h處的大氣溫度TAtm、大氣壓力PAtm和大氣密度ΡAtm， 其中，大氣溫度TAtm的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：所述高空氣球福射熱環(huán)境參數(shù)包括太陽(yáng)直接福射熱流q^s、大氣散射太陽(yáng)福射熱流 S、地面反射太陽(yáng)福射熱流、大氣長(zhǎng)波福射熱流Oui?和地面長(zhǎng)波福射熱流Qui?， 所述太陽(yáng)直接福射熱流的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： qD_S= I 0 · TAtm， 其中，I。為大氣層上界太陽(yáng)福射強(qiáng)度，τAtm為太陽(yáng)直接福射衰減系數(shù)； 所述大氣散射太陽(yáng)福射熱流的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： qA_s= k · q D-S, 其中，k為大氣散射系數(shù)； 所述地面反射太陽(yáng)福射熱流的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中，心。。4為抵達(dá)地球表面太陽(yáng)直接福射強(qiáng)度，fGr。。。,為地球表面反射系數(shù)，TIKG為 地球表面福射衰減系數(shù)； 所述大氣長(zhǎng)波福射熱流OUK的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中，σ為福射常數(shù)，TAtm為大氣溫度； 所述地面長(zhǎng)波福射熱流(Ιυκ的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中，Tcreund為地面溫度，εGrwnd為地面發(fā)射率。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的溫度計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟S4包括： 建立高空氣球及其外流場(chǎng)區(qū)域，利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格將計(jì)算域劃分為多個(gè)微元，分析高空 氣球球體、太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能電池隔熱材料、內(nèi)部氮?dú)馕⒃獋鳠徇^(guò)程，建立所有微元的質(zhì) 量、動(dòng)量和能量微分方程； 其中，計(jì)算域內(nèi)質(zhì)量、動(dòng)量和能量微分方程為： 質(zhì)量微分方程：其中，T是溫度，P是密度，Cp是定壓比熱容，t代表時(shí)間，U代表流體速度矢量，k是導(dǎo) 熱系數(shù)，S。代表動(dòng)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； 其中，太陽(yáng)能電池微元i的能量廣義源項(xiàng)表達(dá)式：Qs, 1D是吸收太陽(yáng)直接福射熱量，GU1Atm是吸收大氣散射福射熱量，QUtAtm是吸收大氣 長(zhǎng)波福射熱量，Qs,UK是對(duì)外界環(huán)境長(zhǎng)波福射熱量，QS, 是通過(guò)隔熱層與球體的傳導(dǎo)換熱 熱量。 太陽(yáng)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(jì)算式列述如下： 吸收太陽(yáng)直接福射熱量Qs,y:其中，F(xiàn)sS是太陽(yáng)能電池微元i外表面與太陽(yáng)直接福射的福射角系數(shù)，As,1是太陽(yáng)能電 池微元i外表面面積。 吸收大氣散射福射熱量吸收大氣長(zhǎng)波福射熱量Q&UtAtm:對(duì)外界環(huán)境長(zhǎng)波福射熱量Q&UK:其中，Ts,i是太陽(yáng)能電池微元i的溫度。 通過(guò)隔熱層與球體的傳導(dǎo)換熱熱量Qs,i_c?d:其中，是球體微元j的溫度，球體微元j被太陽(yáng)能電池微元i遮蓋； 其中，球體上半部分被太陽(yáng)能電池遮蓋部分微元j的能量廣義源項(xiàng)表達(dá)式：其中，〇6胃_5,.，_1虎吸收球體內(nèi)部福射換熱熱量，〇6。心.，_。。?；⑼ㄟ^(guò)隔熱層與太陽(yáng)能電池 的傳導(dǎo)換熱熱量。 球體上半部分被太陽(yáng)能電池遮蓋部分微元j的能量廣義源項(xiàng)表達(dá)式中各項(xiàng)熱量計(jì)算 式列述如下： 吸收球體內(nèi)部福射換熱熱量其中，咕胃^，是投射到球體上半部分被太陽(yáng)能電池遮蓋部分微元j的福射熱流，Jj 是離開(kāi)微元j的福射熱流。 其中，,可W表達(dá)為微元福射熱流和反射熱流之和，其表達(dá)式：其中，Xk,，是球體內(nèi)表面微元k到球體上半部分被太陽(yáng)能電池遮蓋部分微元j的福射角 系數(shù)。 通過(guò)隔熱層與太陽(yáng)能電池的傳導(dǎo)換熱熱量成胃^uc?d:其中，町。心，是球體上半部分被太陽(yáng)能電池遮蓋部分微元j的溫度，是球體上 半部分被太陽(yáng)能電池遮蓋部分微元j的面積。 球體上半部分未被太陽(yáng)能電池遮蓋部分微元1的能量廣義源項(xiàng)表達(dá)式：其中，是吸收太陽(yáng)直接福射熱量，Q 是吸收大氣散射福射熱量，Q IHjUm是吸收大氣長(zhǎng)波福射熱量，Q 是對(duì)外界環(huán)境長(zhǎng)波福射熱量，QauipJUJlU是與球 體內(nèi)部長(zhǎng)波福射換熱熱量。 球體上半部分未被太陽(yáng)能電池遮蓋部分微元1的能量廣義源項(xiàng)表達(dá)式中各項(xiàng)熱量計(jì) 算式列述如下： 吸收太陽(yáng)直接福射熱量其中，是微元1的面積，F(xiàn)e?pjuS是微元1與太陽(yáng)直接福射的福射角系數(shù)。 是與球體下半部分長(zhǎng)波福射換熱熱量。 吸收大氣散射福射熱量QauipJUjVtm: 〇Εηυρ_Κ, l_Atni -口· QA_S· A化up_R,i， 吸收大氣長(zhǎng)波福射熱量QemipJU^WjUm: 〇Εηυρ_Κ, l_IR_Atni - ^ · Q A_IR ·八￡"叩_[!, 1， 其中，ε是球體材料發(fā)射率； 對(duì)外界環(huán)境長(zhǎng)波福射熱量QemipJU^WJ；:與球體內(nèi)部長(zhǎng)波福射換熱熱量Qauipj!,uu:其中，Ge?pju是投射到微元1的福射熱流，JE胃JU是離開(kāi)微元1的福射熱流； 其中，球體下半部分微元m的能量廣義源項(xiàng)表達(dá)式：其中，是吸收太陽(yáng)直接福射熱量，Q 是吸收大氣散射福射熱量，Q是吸 收地面反射福射熱量，(kd,null!jUm是吸收大氣長(zhǎng)波福射熱量，QEM,null!J；是吸收地面長(zhǎng)波福射熱 量，是對(duì)外界環(huán)境長(zhǎng)波福射熱量，Q&id,nuIIU是與球體內(nèi)部長(zhǎng)波福射換熱熱量。 球體下半部分微元m的能量廣義源項(xiàng)表達(dá)式中各項(xiàng)熱量計(jì)算式列述如下： 吸收太陽(yáng)直接福射熱量其中，AE"d,m是微元m的面積，F(xiàn) E"d,m S是微元m與太陽(yáng)直接福射的福射角系數(shù)； 吸收大氣散射福射熱量(kinijUm:吸收地面反射福射熱量吸收大氣長(zhǎng)波福射熱量吸收地面長(zhǎng)波福射熱量(kd,null!J；:對(duì)外界環(huán)境長(zhǎng)波福射熱量與球體內(nèi)部長(zhǎng)波福射換熱熱量其中，GE"d,m是投射到微元m的福射熱流，JE"d,m是離開(kāi)微元m的福射熱流。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的溫度計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟S5包括，加載微元的熱 邊界條件，通過(guò)微元之間能量數(shù)據(jù)傳遞，聯(lián)立求解微元能量方程組，計(jì)算高空氣球平飛過(guò)程 分布溫度分布數(shù)據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種帶太陽(yáng)能電池的高空氣球平飛過(guò)程分布溫度計(jì)算方法，首先計(jì)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(jì)算域，然后利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散計(jì)算域，建立各微元的質(zhì)量、動(dòng)量和能量微分方程，最后根據(jù)高空氣球球體材料和太陽(yáng)能電池特性參數(shù)，聯(lián)立求解計(jì)算域內(nèi)所有微元的方程組，計(jì)算高空氣球平飛過(guò)程分布溫度。本發(fā)明在帶太陽(yáng)能電池的高空氣球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、飛行試驗(yàn)規(guī)劃、規(guī)避潛在危險(xiǎn)等方面具有指導(dǎo)意義，可以提高帶太陽(yáng)能電池的高空氣球設(shè)計(jì)一次成功率，縮短帶太陽(yáng)能電池的高空氣球設(shè)計(jì)周期，降低帶太陽(yáng)能電池的高空氣球設(shè)計(jì)成本。
【IPC分類】G06F19/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105404774
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510771548
【發(fā)明人】劉強(qiáng), 祝榕辰, 才晶晶, 張衍壘, 楊燕初
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電研究院
【公開(kāi)日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年11月12日