基于CFD 技術的衛星容器通風系統研究

葉 欣 范利波 張邦雙

(西昌衛星發射中心，四川西昌 615000)

0 引言

衛星作為一種高精密的復雜儀器，對于所處的空氣環境、力學環境和電磁環境有著極為苛刻的要求和條件。其中空氣環境質量由專門的通風系統來保障，通過給容器提供一定流量、溫度、濕度及潔凈的空氣來達到要求。衛星容器通風系統屬于直流式空調系統，其容器內部溫濕度變化受外部環境因素影響較大，送風保障要求高、難度大。由于日常情況下沒有衛星和容器實物，通風系統無法針對不同環境和條件要求進行針對性的操作訓練。本文通過建立衛星容器通風系統仿真模型，能與實測數據形成相互驗證的冗余測量體系，可以提高通風系統保障的訓練水平，并對衛星容器通風系統的參數優化和極限能力檢驗提供理想的模擬實驗條件。

1 研究對象與數據源

MEO雙星整流罩空調保障難度大，對其內部流場也最為復雜，因此選其作為研究對象。搜集MEO雙星整流罩尺寸和開口位置等圖紙資料，用于空間建模。搜集航科集團和發射站監測的整流罩數據，確定相關參數，用于仿真模型的參數輸入和模擬結果的檢驗。時間2012年4月22日，17:30;環境溫度23.75℃;送風溫度8.9 ℃，濕度53.2%;上星整流罩測點溫度15.1 ℃，濕度33.0%;下星整流罩測點溫度16.0℃，濕度31.3%;整流罩球冠、圓柱、倒錐部分傳熱系數分別為 0.91 W/(m2·℃)，8.73 W/(m2·℃)，9.94 W/(m2·℃)。

2 研究方法

流體數值模擬(計算流體動力學)是在計算機上求解流體運動和傳熱的基本方程，從而獲得各種條件下流體狀態參數的數據。它能夠提供整個計算域內所有的相關變量的值，能對流場進行定量描述并具有流場重現的能力，它還可以很方便地模擬很大或很小尺寸的物體、很低或很高的溫度、有毒或易燃的物體。基于現有流動理論的商用軟件越來越多地應用于科學研究，包括燃燒過程、化學反應、融化凝固、多相流過程、超音速模型在內的幾乎所有流體過程［1］。

衛星容器通風系統的研究，本質上是一個三維流場內的流體運動以及氣固傳熱的問題，根據MEO雙星容器內部流場的實際情況，結合目前的商業CFD軟件的特點和適用范圍，選用Pro/E，Gambit，Fluent和Tecplot軟件作為研究工具，確定容器空調仿真的技術路線，如圖1所示。

圖1 技術路線

3 流場仿真與模擬

3.1 前提與假設

通過適當簡化，在滿足精度的前提下能大大減少仿真模型的復雜程度和計算量，主要假設與簡化如下:罩內氣體為理想可壓縮非粘性流體，處于定常條件下的湍流狀態，不考慮太陽照射和風速風向對壁面熱傳導的影響，不考慮水蒸氣凝結和壁面粗糙度的影響。

3.2 Pro/E 空間建模

在Pro/E軟件中，建立衛星容器的三維零件模型，在草繪圖中繪制容器二維剖面，再利用旋轉、拉伸、陣列、相交、截斷等功能，建立衛星容器三維空間模型。為減少下一步網格劃分工作量和數值模擬計算量，根據容器的對稱特點，將其簡化為1/4空間模型，如圖2所示。

3.3 Gambit網格劃分

采用等比例縮放、無修復方式將空間模型導入Gambit軟件中。對衛星容器整體采用4 cm的劃分尺度，在進出風口流場變化大的區域，采用1 cm的劃分尺度，選擇TGrid格式(主要為四面體，部分為六面體、錐形和楔形)進行三維實體網格劃分，具體如圖3所示。

圖2 上星、下星容器實體與1/4空間模型

圖3 上星、下星容器Gambit網格模型（整體效果和局部加密）

3.4 Fluent模型解算

Fluent軟件用于流體方程的求解，需要輸入邊界條件、初始條件和流體材料屬性，具體過程如下:

1)根據實際需求，選擇三維單精度求解器，能量計算模型和組分輸運模型，確定Standard k-epsilon計算方法。

2)讀入網格文件，并進行網格質量檢查。

3)選擇計算模型，設為默認參數。

4)在流體庫中設置空氣與水蒸氣的混合氣體，確定混合氣體的等壓比熱容為717 J/(kg·K)，熱傳導系數為0.045 W/(m·K)。

5)設置邊界條件。

進風口:由導流板出口尺寸與形狀計算其水力直徑，查表估算出流體流動雷諾數Re，由I=0.16/計算出湍流強度I;出風口:設為自由出流邊界條件及其默認參數;整流罩殼體:設為墻體邊界條件，輸入各部分傳熱系數;環境參數:環境溫度和送風溫濕度為現場測量數據。

6)由于不了解流場的實際情況，采用默認參數初始化。

7)將參數輸入仿真模型進行求解，上星整流罩仿真模型運算到310次時達到收斂，下星整流罩運算到500次時也達到了殘差小于10－3的要求。

3.5 Tecplot結果后處理

為了直觀地顯示整流罩仿真模型的計算結果，將Fluent軟件仿真結果導入Tecplot軟件，并將上下星容器合并以后，采用ISO等值面形式［2］將整流罩仿真模型的溫濕度進行三維顯示，如圖4所示。

4 結果分析與驗證

為檢驗整流罩空調系統仿真模型的準確性，利用現場測量的罩內溫濕度數據，與仿真模型對應位置的計算結果進行對比(圖5為切片模型)，結果見表1。

圖4 衛星容器溫度、濕度ISO等值面模型

圖5 容器溫度、濕度仿真結果切片

表1 仿真結果與實測數據對比

從表1可以看出，仿真模型的計算結果與實測數據基本一致，說明衛星容器通風系統仿真模型能夠比較準確地反映容器內溫濕度實際情況，能夠直觀展現容器內溫濕度的分布特征。

5 結論與展望

本文以MEO雙星容器為實例進行三維溫濕度場的仿真模擬，并利用實測數據對仿真模型進行驗證，分析認為:

1)利用仿真模型能夠準確模擬罩內溫濕度實際情況，與實測數據形成相互驗證的冗余測量體系，提高數據可信度;利用該模型還可進行模擬操作訓練，提高通風系統操控的訓練水平;通過對各種工況條件和惡劣環境進行模擬，該模型還能夠對通風系統的工況參數進行優化，并檢驗空調保障的極限能力。

2)在航天發射場地面設備中，低溫/常規加注、液壓、供配氣、給排水等流體系統都可應用本文的數值模擬方法進行研究，為提高航天發射場信息化水平提供了一個有效的技術途徑和實現手段，具有很好的實用價值和推廣應用潛力。

［1］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004:1-4.

［2］王瑞金，張 凱，王 剛.Fluent技術基礎與應用實例［M］.北京:清華大學出版社，2007:237-254.