一种基于太阳能热浮力的新型观瞄平台载体热数值分析

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1、第33卷第9期可再生能源Vol.33No.92015年9月RenewableEnergyResourcesSept.2015一种基于太阳能热浮力的新型观瞄平台载体热数值分析程茜茜，吕建刚，高飞（军械工程学院车辆与电气工程系，河北石家庄050003）摘要：提出了一种基于太阳能热浮力的新型战场信息观瞄平台，根据辐射传热理论建立了太阳能热气球的热力学模型，使用FLUENT对太阳能气球的热特性进行了数值计算，获得了气球的蒙皮、内部空气的温度场，着重分析了在太阳辐射下达到平衡状态时热气球直径对蒙皮表面及其内部空气温度分布的影响。结果表明，当气球在太阳辐射下达到平衡状态时，气球蒙皮最高温度为

2、348K，内部空气的平衡温度为334K，蒙皮最大温差为25K左右，气球蒙皮温度分布沿竖直方向梯度较大。关键词：太阳能；热浮力；温度场；热数值模拟中图分类号：TK124；V274文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）09-1300-05DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.09.0040引言1.1太阳能气球的外部热环境在能源和环境问题日益凸现的今天，太阳能太阳能气球的外部热环境较为复杂，是影响[3]作为一种可再生的清洁能源被人们誉为21世纪内部温度场的分布的重要因素之一。气球外部[1]最有希望的能源。我国平均年太阳辐射总量为热环境不

3、包括云层的反照辐射，因为云层的反照25648.6MJ/m，其中青海、西藏、甘肃、新疆、内蒙、辐射只有气球在云层上方时起作用。宁夏太阳辐射资源最丰富，华北各省及四川辐射1.1.1太阳直接辐射Q11资源中等，其光能资源丰富，日照时间长，太阳总平行太阳光直接投射到气球表面上的辐射能辐射量大，使太阳能成为可利用能源。实时、准确、称之为直接辐射，其强度主要与太阳高度角和大广泛、动态地获取目标信息并处理是炮兵实施火气透明度有关。气球对直接辐射的吸收包括外表[2][4]力打击的首要前提。因此，其侦察手段的提升，面吸收和内表面吸收，故太阳直接辐射Q11为从某种意义上说，可以有效的提高战斗力。我们

4、亟Q11=αApI0τa[1+τ（1+re）]（1）需打破传统侦察手段，通过开展基于太阳能热浮式中：α为气球对太阳辐射的有效吸收率；Ap为气力的战场信息观瞄平台研究，可以将战场信息侦球的照射投影面积；I0为太阳常数，一般情况下，2察和太阳能利用有效结合起来，为炮兵侦察提供可认为太阳辐射量是较稳定的，取值1357W/m；一种新的辅助手段。τa为大气透射率；τ为气球对太阳辐射的透射率；本文所提出的太阳能气球主要以太阳能为热re为气球对太阳辐射的有效反射率。源，其所处热环境比较复杂，主要包括外部热环境1.1.2天空散射辐射Q12和内部热环境。以太阳能气球为研究对象，对蒙皮太阳光射向大气

5、层时，遇到空气分子、云雾及内部温度场进行了仿真模拟，并对气球进行了滴、尘埃等质点而发生散射。一般情况下，直射辐热力学分析。不同于传统的高空气球，太阳能气球射大时，散射辐射也大。几种太阳散射辐射模型[5]飞行高度较低，距离地球表面较近，且有云层遮中，HLJ模型的精度相对较高，其考虑了海拔高挡，因此文章重点分析了观瞄平台载体所受太阳度的影响，故辐射的热问题。Q12=a（1-τωτoτaeτda）sinh·a·I0·τa[1+τ（1+re）]（2）1载体太阳能气球的热力学分析式中：a为待定系数；τω，τo，τae，τda分别为大气中水收稿日期：2015-03-10。基金项目：军械工程学

6、院原始创新基金项目（20121002）。作者简介：程茜茜（1991-），女，硕士研究生，研究方向为机电液集成系统控制技术。E-mail：282442550@qq.com·1300·程茜茜，等一种基于太阳能热浮力的新型观瞄平台载体热数值分析气、臭氧、气溶胶、理想大气的透过系数；h为太阳与h2中较大的值；Ae为气球的有效面积；Ta为气高度角。球外界空气温度。1.1.3红外辐射Q131.2.3内部空气的对流换热Q33红外辐射包括地表红外辐射和大气红外辐内部空气的对流换热只有自然换热，换热系[6][9]射。数h3为1Q13=αIRAs[1+τIR（1+re）]·3244h=0.13K2ρ

7、igTf-TiPri2（9）[εgσTg·X+εsσTs（1-X）]（3）3iT·μ2ia式中：αIR，τIR分别为气球对红外辐射的吸收率和则，内部空气对流热负荷为透过率；As为气球外露面积；εg，εs分别为地面、大Q33=hiAe（Tf-Ti）（10）-8气平均发射率；σ为玻尔兹曼常数，取5.6697×10式中：Ki为内部空气的热传导率；ρi为内部空气密24W/m·K；Tg，Ts分别为地表温度和天空背景温度；度；Ti为内部空气温度；Pri为内部空气普朗特数；X为气球外表面对地面