北航本科毕业设计论文

作者：韩雄飞 签字： 时间：2016 年 6 月
北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )
第 I 页
高空长航时无人机电机热控设计与分析
学 生：韩雄飞 指导老师：申晓斌
摘要
高空长航时无人机是指飞行高度在 7000m 以上，续航时间在 24 小时以上能昼夜进 行空中侦查的无人驾驶飞机， 因其具有长时间持续侦察监视并截获和收集目标区域的完 整情报、观察地面目标分辨率高、成本低、安全性好、灵活性强等特点而在军用民用领 域有很大的优势，但是因为高空长航时无人机工作高度过高，所处高空环境大气稀薄， 空气密度低，导致电机无法及时散热，所以有必要对高空长航时无人机的电机进行热控 设计与分析。 在论文中，首先研究了高度变化对高空大气参数的影响，其次计算了在没有采取热 控措施的电机在 30km 高空的对流换热量和辐射换热量，并通过比较证实对流换热量仍 然是电机换热的主导因素，之后通过对肋片换热器的设计计算，决定采用 40 片宽 2mm 高 22mm，长 200mm 的等截面矩形肋片进行散热，并通过 CFD 仿真计算证实设计出的 散热器可以满足电机的散热要求。
关键词：高空长航时无人机，高空环境,电机，肋片散热器
北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )
第 II 页
Thermal design and analysis of the high altitude long-endurance UAV
Author: Han xiong-fei Tutor: Shen xiao-bin
航空科学与工程 学院（系） 120519 学生 班 韩雄飞
飞行器环境与生命保障工程 专业类
毕业设计（论文）时间： 答辩时间： 成 绩： 年 月
年 日
月
日至
年
月
日
指导教师： 兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分） ：
系（教研室） 主任（签字） ：
本人声明
我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完 成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
源自文库
Abstract
The high altitude long-endurance UAV refers to the UAV that is able to fly above the height of 7000m and can fly continuously for at least 24 hours which enables all day air reconnaissance, because it has the characteristics of continued air reconnaissance and surveillance , intercepting and collecting the intelligence of the target area, high resolution observing ground target, low cost, good safety, strong flexibility make great advantages high altitude long-endurance UAV in military and civilian fields, but because of the high altitude long endurance UAVs work at high altitude where the air is thin and the air density is low, which leads to the motor can not be timely cooling, therefore, the precise thermal design become the key point to ensure the motor working regularly. In this paper, Firstly, we study the effect of height variation on high altitude atmospheric parameters. Secondly, calculate the motor’s convection heat transfer flux and radiation heat transfer flux without tanking any thermal control methods ,and through the comparison between convection heat transfer flux and radiation heat transfer flux we confirm that the convection heat transfer is still a leading factor in the motor’s heat transfer flux, the next step is the calculation of the fin radiator design, we decided to adopt 40 pieces of constant section rectangular fin with the size of 2mm wide ,22mm high, and 200mm long to solve the heat dissipation problem of the motor and Finally the CFD simulation calculation proved that the design of the radiator can meet the cooling requirements of the motor.
Key words: High altitude long-endurance UAV，High altitude atmosphere，Motor，Fin
radiator
北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )
第 III 页
目
录
1 绪论......................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景........................................................................................................................1 1.2 热控技术简介及国内外发展现状................................................................................3 1.3 电机散热方法及国内外研究现状................................................................................3 1.4 论文构成以及研究内容................................................................................................5 2 电机数学模型的建立.............................................................................................................6 2.1 电机高空大气参数........................................................................................................6 2.2 电机模型的确立............................................................................................................7 2.3 电机对流散热量与辐射散热量的计算与分析............................................................8 2.4 用 Fluent 计算并验证对流换热计算公式................................................................. 10 3 电机肋片散热器设计与仿真验证.......................................................................................15 3.1 肋片散热器的设计......................................................................................................15 3.1.1 等截面矩形肋的热学分析.................................................................................15 3.1.2 肋片材料的选取.................................................................................................16 3.1.3 肋片散热器的设计计算.....................................................................................17 3.2 肋片散热器的散热能力的仿真验证..........................................................................19 3.2.1 Fluent 网格模型的建立...................................................................................... 19 3.2.2 Fluent 仿真计算及验证...................................................................................... 22 结论...........................................................................................................................................29 致谢...........................................................................................................................................31 参考文献...................................................................................................................................33 附录...........................................................................................................................................34
Ⅰ、毕业设计（论文）题目：
高空长航时无人机电机热控设计与分析
Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：
电机在 30km 高空工作 飞机巡航速度 80m/s 电机功率 1.25kw，效率 85% 要求热控方法使电机温度在工作范围内，尽量低
Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容：
高空长航时无人机在军事与民用领域都有很大的优势，但其飞行环境恶劣（空气 密度低，对流换热性能差） ，且电机的发热量大，需要进行热控设计与分析，本课题对 其热控技术开展研究： 1、对电机工作的高空（30km）环境进行资料收集与分析，明确设计状态； 2、对电机的工作发热状态与常用的热控方法进行调研与分析，结合高空环境，分析 本课题电机的热控需求与可用的热控手段； 3、分析高空对流散热与辐射散热的工程计算方法，比较两种方法散热的量； 4、设计电机的热控方案，确定翅片尺寸等参数，并计算分析其有效性，直到满足技
单位代码： 学 号：
10006 12051010 v231.1
分 类 号：
毕业设计 (论文 )
高空长航时无人机电机热控设计与分析
学 专 学 指
院 业 生 导
名 名 姓 教
称 称 名 师
航空科学与工程学院 飞行器环境与生命保障工程 韩雄飞 申晓斌
2016 年 6 月
北京航空航天大学 本 科 生 毕 业 设 计（论文）任 务 书
术要求，完成论文的研究分析工作。
Ⅳ、主要参考资料：
1、余建组，电子设备热设计及分析技术，高等工程出版社 2、杨世铭、陶文铨，传热学，高等教育出版社 3、余建组，换热器原理与设计，北京航空航天大学出版社 4、李延伟，高空无人机载光学遥感器热控技术研究，中国科学院大学 5、李小建，临近空间浮空器热-结构耦合数值模拟研究，南京航空航天大学_ 6、樊越，航空相机光机热分析与热控技术研究，中国科学院大学