恒溫條件下浮空氣囊泄漏仿真

朱仁勝 ，張 月 ，周 隱

（1.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009；2滁州汽車與家電技術及裝備研究院，安徽 滁州 239000）

1 引言

浮空器是靠浮力升空的一類飛行器，氣囊內部填充著密度低于空氣的浮升氣體（通常為氦氣），通過排氣閥和壓艙物來控制上升的速度和上升的高度，浮空器由于其具有長滯空時間、污染小、噪音低、可超低空作業、不易被雷達探測發現。成本較低等特點，在軍事和民用方面具有廣闊的應用空間[1-2]。

浮空器的可靠性很大程度上取決于浮空器內部氣體的穩定性，如果浮空器內的氣體發生泄漏，那么浮空器的滯空時間將會大大的縮減。所以研究浮空器內部氣體發生泄漏時的熱特性變化，有利于及時采取相關措施以提高浮空器安全穩定性。如何準確有效測定浮空器是否泄漏并估測泄漏帶來的影響一直是該領域一大難題[3]。國內外學者做了大量的浮空氣囊氣密性試驗和理論計算：文獻[4-5]通過對受到雙向載荷作用下氦氣的泄漏情況的實驗，得出蒙皮材料的氦氣泄漏系數和加載到表面的載荷的大小具有明確關系的結論；文獻[6]通過進行基于小孔泄漏模型的密封氣囊密封氣囊最大允許泄漏量上限指標分析，并開發建立密封氣囊泄漏檢測系統，對完好氣囊和有小孔的氣囊同時進行了試驗對比。文獻[3]提出了一種基于氣囊表面應變的預測泄漏方法，用來解決測量大體積低內壓的密閉結構泄漏時，壓力傳感器精度不夠而產生的測不到測不準的問題。文獻[7-8]研究了蒙皮材料各層的微觀結構并討論其不同的氦氣滲透機制，對于損傷誘導氦氣泄漏機制研究，從細觀損傷力學出發，建立了氦氣滲透率與裂紋密度和裂紋厚度之間的函數關系。

然而，由于氣體特殊的物理特性，僅測量氣囊內部某一參數，以此描述在外部環境發生變化的情況下氣囊氣密性狀態，是不能做到對其準確描述的。因此旨在通過采用CFD模擬泄漏浮空氣囊內部氣體壓力、密度等參數的變化，提出一種基于多種指標的浮空氣囊泄漏檢測方法?？紤]到實驗器材的局限性，對溫度恒定條件下的各參數的變化進行仿真，并將仿真結果與實驗測量所得氣體壓力變化相比較，通過實驗驗證仿真模型的可靠性。經實驗證明采用CFD對浮空氣囊泄漏問題進行仿真的可行性，以達到把仿真方法外推到實際浮空氣囊研究的目的。

2 有限元模型建立

采用CFD[9]建立帶有泄漏孔的三維模型，考慮到浮空氣囊檢漏試驗裝置[10]中所配套氣囊在完全充氣狀態下為直徑（1500±1）mm的球型氣囊，為保證仿真與實驗初始條件最大程度契合，建立直徑為1500mm，泄漏口徑為0.1mm的球形浮空氣囊模型。使用網格劃分軟件劃網格，如圖1所示。其中泄漏孔在Y軸正方向最大處。以下關于泄漏仿真的云圖均為對氣囊在XOZ平面上直徑處的截圖，以顯示氣囊內部各項特性的變化情況。

考慮到浮空器泄露過程是一個非穩態的變化過程，采用非穩態計算。研究外界環境恒定條件下浮空氣囊的泄漏，因此忽略浮空氣囊泄漏帶來的外部環境的變化，設定泄漏過程中外界溫度為恒溫，并且無太陽輻射以及風力等環境因素影響，只需打開能量方程；通過定量計算，泄漏過程中主要為湍流，氣體湍流模型選擇標準的k-e模型；由于浮空氣囊內部氣體是一個非定常的非穩態流動，所以將氣體泄漏孔設定為壓力出口邊界；考慮到后期用于實驗驗證的實驗檢測裝備所處的大氣環境接近標準大氣壓，因此設定外界壓力為一個標準大氣壓即101325Pa，浮空氣囊內外壓差為3000Pa，內部氣體選擇空氣，并將其設為理想氣體。

圖1 泄漏氣囊網格Fig.1 The Mesh of Leaking Ballonet

3 數值仿真

主要研究泄漏孔直徑為0.1mm浮空氣囊不同時間點的氣囊內部氣體壓強、密度和速度的數值，以及不同時間點浮空氣囊Y方向直徑剖面的應力云圖，分析泄漏過程中內部氣體分布特點，并得出各參數隨時間的變化趨勢。

3.1 浮空氣囊泄漏內部壓強隨時間的變化

當外界溫度為300K時，氣囊泄漏10h、80h、400h時內外壓差云圖，如圖 2（a）～圖 2（c）所示。內外平均壓差分別為 2438.80Pa、1193.04Pa、180.39Pa。從圖中可以看出氣囊內部大部分區域壓強無明顯的變化，只在泄漏孔處有明顯的壓力梯度。當泄漏750h時，氣囊內外平均壓差為7.12Pa，可認為氣囊內部氣體已經完全泄漏?？傮w來說，氣囊在泄漏時，內部壓強沒有明顯的壓力梯度，但在出口處較明顯。氣囊內部平均壓強及平均密度隨時間的變化曲線，如圖3所示。由圖3可見，泄漏過程中壓力下降速度隨著時間的增大而減小，在剛開始泄漏的前50h左右，氣囊內部壓力下降比較快，在300h后，壓力下降趨于平緩。可見單位時間氣體泄漏的質量流隨著泄漏時間的增長而減小。

3.2 浮空氣囊泄漏內部密度隨時間的變化

當外界溫度為300K時，觀察氣囊泄漏10h、80h、400h時的氣囊內部密度云圖在 Y 軸方向的剖面圖，如圖 2（d）、圖 2（e）、圖 2（f）所示。平均密度值分別為 0.1667kg/m3、0.16538kg/m3、0.16422 kg/m3。隨著泄漏的進行，泄漏口處和氣囊內部出面明顯分層，距離氣囊壁越近的氣體密度越小，氣體密度圍繞球心形成密度分布環，并在泄漏孔處密度相對于同一半徑的其他位置密度稍大。觀察圖3為關于氣囊平均密度隨泄漏時間的變化曲線。比較氣囊內部平均密度與平均壓力的變化，氣囊內部氣體密度變化趨勢與氣體壓力變化趨勢相似。

圖2 外壓及密度分布圖Fig.2 External Pressure and Density Distribution

圖3 平均壓強及平均密度隨泄漏時間的變化曲線Fig.3 The Curve of Average Pressure and Average Density with the Leakage Time

4 實驗驗證

使用自行設計的一套實驗裝置—浮空氣囊檢漏試驗裝置[10]對仿真結果進行驗證，實驗裝置示意圖，如圖4所示。實驗裝置實物圖，如圖5所示。該實驗裝置主要由直徑為1500mm的浮空氣囊、加熱/制冷系統、氣罐、管道以及壓力傳感器、流量計、溫度傳感器等測量系統組成。該裝置可采用加熱系統將實驗裝置所處環境加熱/制冷到不同溫度，以模擬不同的大氣環境溫度，在氣囊表面連接了一個合金的法蘭，實驗過程中通過在這個法蘭上連接不同直徑的泄漏管道來模擬不同孔徑的泄漏狀況。并采用測量裝置將所測相關數據反饋給實驗采集板，在PC端軟件界面以圖文方式顯示。通過此采集板可將氣囊中的溫度與壓力通過相應的傳感器轉換成電信號后，將得到的數據存儲到計算機中。

圖4 實驗裝置示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Experimental Installation

圖5 實驗裝置實物圖Fig.5 The Experimental Installation

為驗證仿真模型是否正確，依據仿真模型中的邊界條件安排實驗，向氣囊內充填空氣使得內外壓強達到3000Pa，啟動裝置內溫控系統，使得氣囊外壁溫度達到300K，啟動泄壓閥，采集浮空氣囊內部及蒙皮表面附近的不同點的壓強值，處理得到氣囊內氣體壓力值，如表1所示。并與仿真所得壓差對照，作出壓差隨時間變化關系，如圖6所示。由圖6可見，仿真與實驗數據趨勢及數值均一致。由表1可見，誤差為均為5%以內，可認為實驗和仿真結果符合，說明實驗結果較好的驗證了仿真。由此可以推知，仿真泄漏方法正確，可以推廣到實際浮空氣囊泄漏計算上。

表1 仿真壓差與實驗壓差隨時間變化表Tab.1 The Change of Differential Pressure of Simulation and Experiment with Time

圖6 仿真壓差與實驗壓差隨時間變化圖Fig.6 The Change of Differential Pressure of Simulation and Experiment with Time

5 結果與討論

研究了浮空氣囊壁面溫度恒定情況下浮空氣囊泄漏產生的內部氣體壓強、密度及泄漏速度的問題，通過對外界環境溫度恒定條件下氣囊泄漏情況進行仿真，并按照仿真參數設計相應實驗，將實驗結果與仿真結果進行對比，從而確定仿真模型的正確性，為后續更為復雜大氣條件下的浮空氣囊泄漏的仿真提供依據。

并得出如下結論：

（1）隨著泄漏的進行，氣囊內部氣體密度有明顯的分層，距離蒙皮表面越近，氣體密度越小，圍繞球心形成密度分布環，并在泄漏孔處密度相對于同一半徑的其他位置密度稍大。

（2）泄漏過程中漏孔附近壓力及氣流速度變化明顯，而其他部分則無明顯變化。

（3）仿真數據和實驗數據比較，誤差在5%以內，實驗驗證了仿真，說明掌握了浮空氣囊的數值仿真方法，可在此基礎上進一步添加輻射等外部環境模型，進一步研究自然大氣環境下的浮空氣囊泄漏問題。

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