戴 偉

(東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

大氣中各個(gè)垂直高度上隨時(shí)空分布的溫度、濕度和氣壓觀測(cè)資料能夠反映大氣熱力和動(dòng)力過程，可作為氣候變化預(yù)估[1～5]、氣候診斷預(yù)測(cè)[6]、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)[7～9]與大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)[10]等相關(guān)科學(xué)研究的基礎(chǔ)信息。

IPCC的AR5報(bào)告[11]基于8套無線電探空儀和衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)集(HadAT2、 RAOBCORE1.5、RICH-obs、RICH-tau、RATPAC、UAH、RSS、STAR)針對(duì)全球1958年～2012年對(duì)流層低層和平流層低層大氣溫度的長(zhǎng)期變化進(jìn)行分析，地面和高空氣溫變化的平均速度在0.01～0.1 K/10a數(shù)量級(jí)，為更準(zhǔn)確地觀測(cè)全球、大尺度和局地氣候變化研究，希望觀測(cè)的溫度傳感器精度能夠提高到與之相應(yīng)的量級(jí)。

目前，珠狀熱敏電阻憑借體積小、熱慣性小和靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)高空溫度探測(cè)得到了廣泛應(yīng)用。但它的觀測(cè)誤差仍存在多種多樣，誤差來源主要包括自加熱效應(yīng)、滯后性和太陽輻射等，其中太陽輻射誤差是影響高空溫度觀測(cè)精度的重要因素[12，13]。在進(jìn)行高空溫度觀測(cè)時(shí)，探空氣球需要通過吊繩將探空儀從地面升至30 km左右的高空，上升過程中探空氣球和探空儀均會(huì)受水平風(fēng)的影響產(chǎn)生一定的偏移，由于兩者體型的差異導(dǎo)致了偏移程度的不同，探空儀在這種位移差異和重力的作用下，在平面內(nèi)易形成以探空氣球?yàn)楣潭c(diǎn)的鐘擺運(yùn)動(dòng)。這種擺動(dòng)會(huì)實(shí)時(shí)改變珠狀熱敏電阻表面接受太陽輻射能量的不同，從而顯著提高了太陽輻射誤差修正的不確定性。目前，針對(duì)這種影響,采用的解決方案是提高傳感器表面的太陽輻射反射率和平滑數(shù)據(jù)，但這種解決方法改善的效果并不顯著。

本文創(chuàng)新提出一種具有四引線和十字形結(jié)構(gòu)的傳感器方案設(shè)計(jì)，并通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)新型探空溫度傳感器進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善擺動(dòng)影響的有效性。后續(xù)在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行地面高空實(shí)驗(yàn)或高空放飛實(shí)驗(yàn)，可以顯著降低人力和物力的耗費(fèi)，提高相關(guān)研究的效率。

1 探空溫度傳感器觀測(cè)工況與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 探空溫度傳感器的復(fù)雜工況

探空溫度傳感器在進(jìn)行高空觀測(cè)業(yè)務(wù)時(shí)，探空氣球和探空儀在水平風(fēng)的作用下，通過兩者中間的吊繩形成類似鐘擺運(yùn)動(dòng)的軌跡，其運(yùn)動(dòng)的平面軌跡如圖1所示。

圖1 探空儀類似鐘擺運(yùn)動(dòng)的平面示意

探空儀擺動(dòng)會(huì)引起傳感器表面太陽照射方向的變化，這種方向變化會(huì)導(dǎo)致傳感器表面接收的太陽輻射面積發(fā)生變化，忽略這種影響易導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果與真實(shí)大氣溫度存在較大偏差。

1.2 四引線珠狀熱敏電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四引線十字型三維對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可隨著太陽照射方向變化進(jìn)行輻射面積的自適應(yīng)平衡，原理是基于電阻體和引線接收輻射面積的變化趨勢(shì)呈反向變化，從而將珠狀熱敏電阻表面接收的輻射面積隨太陽照射方向變化的敏感性降低。以下針對(duì)四引線珠狀熱敏電阻的電阻體和引線進(jìn)行輻射面積自適應(yīng)平衡原理的闡釋，如圖2所示。

圖2 珠狀熱敏電阻在擺動(dòng)中輻射面積自適應(yīng)平衡原理

圖2中,θ和β分別為珠狀熱敏電阻相對(duì)于太陽的高度角和方位角，當(dāng)β和θ均為0°時(shí)，電阻體接收的輻射面積最大，引線接收輻射面積最小；當(dāng)β為0°和θ為90°時(shí)，電阻體接收的輻射面積最小，引線接收的輻射面積最大；通過該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)傳感器輻射面積自適應(yīng)平衡，從而顯著降低探空儀擺動(dòng)對(duì)探空溫度傳感器太陽輻射誤差修正精度的影響。

2 四引線珠狀熱敏電阻的建模與數(shù)值分析

2.1 流固耦合模型建立

由于珠狀熱敏電阻的外部環(huán)境是無限空氣域，但數(shù)值計(jì)算無法通過建立無限網(wǎng)格來模擬無限空氣域。為平衡計(jì)算效率和精度，在珠狀熱敏電阻實(shí)體模型外部建立一個(gè)大小適中的長(zhǎng)方體空氣域，代替無限空氣域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法建立傳感器和外圍空氣域的流固耦合模型如圖3，模型中長(zhǎng)方體的左邊(即探空儀的上方)為氣流進(jìn)口，右邊為氣流出口，并對(duì)氣流方向的空氣域進(jìn)行加長(zhǎng)，以保證數(shù)值計(jì)算時(shí)空氣流動(dòng)特性能夠充分展示。

圖3 珠狀熱敏電阻和外圍空氣域的流固耦合模型

采用自適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法生成傳感器和外圍空氣域的網(wǎng)格模型，針對(duì)不同計(jì)算區(qū)域采用不同的網(wǎng)格大小，并對(duì)流固耦合面采用邊界層網(wǎng)格處理，提高數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度和捕捉邊界層內(nèi)的物理現(xiàn)象。

運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)珠狀熱敏電阻進(jìn)行流固耦合數(shù)值仿真分析，其中，外部輻射耦合邊界條件用熱流密度表示。在計(jì)算模型中，采用控制容積法對(duì)三維計(jì)算區(qū)域的控制方程進(jìn)行數(shù)值離散，流體進(jìn)口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，求解器采用壓力基求解器，并進(jìn)行定常流動(dòng)計(jì)算。模型中因涉及輻射傳熱、對(duì)流換熱及熱傳導(dǎo)計(jì)算，故需要求解能量控制方程。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，動(dòng)量、能量以及湍流參量的求解先采用一階迎風(fēng)格式使計(jì)算結(jié)果收斂，再采用二階迎風(fēng)格式提高計(jì)算結(jié)果的精度。

2.2 流固耦合數(shù)值仿真

通過數(shù)值計(jì)算求解珠狀熱敏電阻內(nèi)部能量方程時(shí)，需要知道珠狀熱敏電阻各個(gè)部件的密度、比熱容和熱導(dǎo)率，其物性參數(shù)如表1。

表1 珠狀熱敏電阻的物性參數(shù)

運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)不同太陽輻射方向下的四引線珠狀熱敏電阻進(jìn)行流固耦合數(shù)值仿真，其中,太陽輻射強(qiáng)度和照射方向分別為1 367 W/m2和天頂方向(-Z軸方向)，海拔高度為32 km，表面涂層反射率為80 %，升空速度為6 m/s，獲得不同太陽輻射方向下的四引線珠狀熱敏電阻溫度分布如圖4所示(圖中TM為電阻體中心的溫度)。

圖4 不同太陽輻射方向下的四引線珠狀熱敏電阻溫度分布

根據(jù)圖4的仿真結(jié)果可知，四引線探空溫度傳感器在XOZ平面內(nèi)的各種太陽照射方向下均有較優(yōu)的輻射熱平衡性，太陽輻射引起的電阻體中心溫度最大差異約0.12 K。

為進(jìn)一步驗(yàn)證四引線探空溫度傳感器在三維空間中的輻射熱平衡性，假設(shè)XOZ平面內(nèi)45°太陽照射方向旋轉(zhuǎn)到-YOZ平面內(nèi)，旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)為30°。運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)不同太陽輻射方向下的四引線珠狀熱敏電阻進(jìn)行流固耦合數(shù)值仿真，獲得不同太陽輻射方向下的四引線珠狀熱敏電阻溫度分布如圖5所示。

圖5 不同太陽輻射方向下四引線珠狀熱敏電阻溫度分布

根據(jù)圖5的數(shù)值仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四引線珠狀熱敏電阻在各種太陽照射方向下的電阻體中心溫度最大差異為0.017 K。綜合上述，數(shù)值仿真結(jié)果證明了四引線珠狀熱敏電阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在三維空間里具有較優(yōu)的輻射熱平衡性，可將修正精度提高到0.05 K量級(jí)。

3 四引線珠狀熱敏電阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

探空溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“擺動(dòng)對(duì)太陽輻射誤差的修正影響最低”的原則，因此,提出了結(jié)構(gòu)類似的兩引線和六引線設(shè)計(jì)方案，用于驗(yàn)證四引線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否達(dá)到最優(yōu)。

3.1 兩引線珠狀熱敏電阻的數(shù)值仿真

兩引線結(jié)構(gòu)在單一平面內(nèi)屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但在三維空間屬于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，針對(duì)兩引線結(jié)構(gòu)應(yīng)采用不同太陽照射狀態(tài)的雙平面研究，雙平面分別為XOZ平面和YOZ平面。運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法分別對(duì)YOZ平面和XOZ平面內(nèi)不同太陽輻射方向下的兩引線珠狀熱敏電阻進(jìn)行流固耦合數(shù)值仿真分析，獲得不同太陽輻射方向下的兩引線珠狀熱敏電阻溫度分布如圖6所示。

圖6 YOZ平面和XOZ平面內(nèi)不同太陽輻射方向下的珠狀熱敏電阻溫度分布

根據(jù)圖6(a)～(d)的數(shù)值仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在YOZ平面內(nèi)各種太陽照射方向引起的電阻體中心溫度差異較小，最大差異約0.1 K?；谏鲜鰯?shù)據(jù)可認(rèn)為珠狀熱敏電阻在YOZ平面內(nèi)輻射熱平衡效果較優(yōu)，可有效降低太陽輻射方向變化時(shí)對(duì)珠狀熱敏電阻觀測(cè)結(jié)果的影響。但根據(jù)圖6(e)～(h)的數(shù)值仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在XOZ平面內(nèi)的各種太陽照射方向引起的電阻體中心溫度差異變得顯著，最大差異可達(dá)0.6 K，此時(shí)珠狀熱敏電阻的輻射熱平衡能力顯著降低。分析造成此種差異的原因發(fā)現(xiàn)，在YOZ平面內(nèi)珠狀熱敏電阻輻射熱平衡效果好的原因主要是當(dāng)太陽照射方向變化時(shí)絕緣層表面和引線表面之間的輻照面積在進(jìn)行自動(dòng)平衡，例如0°太陽照射方向?qū)?yīng)的絕緣層表面的輻射面積最大，而此時(shí)引線表面的輻射面積最?。?0°太陽照射方向?qū)?yīng)的絕緣層表面的輻射面積最小，此時(shí)引線表面的輻射面積最大；因此,絕緣層和引線之間在太陽照射方向變化時(shí)發(fā)生了自動(dòng)輻射熱平衡。但太陽照射方向在XOZ平面變化時(shí)，引線的輻射面積不變，絕緣層的輻射面積隨著角度的增大而變小，導(dǎo)致輻照面積自動(dòng)輻射熱平衡的狀態(tài)被打破，從而導(dǎo)致珠狀熱敏電阻在XOZ平面內(nèi)的輻射熱平衡效果顯著變差。通過上述研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，引線設(shè)計(jì)在三維空間的不對(duì)稱是造成珠狀熱敏電阻在XOZ平面內(nèi)輻射熱平衡效果差的主要原因。

3.2 六引線珠狀熱敏電阻的數(shù)值仿真

六引線結(jié)構(gòu)在三維空間屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此,針對(duì)六引線結(jié)構(gòu)只采用單一平面XOZ進(jìn)行研究，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)在XOZ平面內(nèi)不同太陽輻射方向下的珠狀熱敏電阻進(jìn)行流固耦合數(shù)值仿真分析，獲得不同太陽輻射方向下的珠狀熱敏電阻溫度分布如圖7所示。

圖7 XOZ平面內(nèi)不同太陽輻射方向下的珠狀熱敏電阻溫度分布

根據(jù)圖7的數(shù)值仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，六引線珠狀熱敏電阻在XOZ平面內(nèi)各種太陽照射方向引起的電阻體中心溫度差異變得顯著，最大差異可達(dá)0.344 K。造成這種差異的主要原因,太陽照射方向?yàn)?°時(shí)，原本可以被輻射到的絕緣層表面有部分被引線遮擋，導(dǎo)致絕緣層表面接收的輻照面積顯著減小，從而造成六引線珠狀熱敏電阻在不同太陽照射方向下的電阻體中心溫度存在較大差異。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)珠狀熱敏電阻設(shè)計(jì)了一種在三維空間對(duì)稱的四引線十字型結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法研究了珠狀熱敏電阻在該結(jié)構(gòu)下不同太陽照射方向和不同引線數(shù)量條件下的溫度分布，得出結(jié)論如下：

1)四引線十字型結(jié)構(gòu)的珠狀熱敏電阻在各種太陽照射方向下的太陽輻射誤差修正精度可優(yōu)化到0.05 K量級(jí)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠顯著降低擺動(dòng)對(duì)溫度觀測(cè)的影響；

2)通過珠狀熱敏電阻兩引線和六引線結(jié)構(gòu)的對(duì)比，驗(yàn)證了四引線結(jié)構(gòu)為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

相關(guān)研究結(jié)果可以為珠狀熱敏電阻提供更為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在探空儀業(yè)務(wù)化測(cè)溫中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。