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(guò)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(wú)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(lái)源主要包括自加熱效應(yīng)、滯后性和太陽(yáng)輻射等，其中太陽(yáng)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(guò)吊繩將探空儀從地面升至30 km左右的高空，上升過(guò)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(yáng)輻射能量的不同，從而顯著提高了太陽(yáng)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(yáng)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(guò)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(guò)兩者中間的吊繩形成類(lèi)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(lèi)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)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(wú)限空氣域，但數(shù)值計(jì)算無(wú)法通過(guò)建立無(wú)限網(wǎng)格來(lái)模擬無(wú)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(wú)限空氣域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過(guò)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)照射方向下均有較優(yōu)的輻射熱平衡性，太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)輻射誤差的修正影響最低”的原則，因此,提出了結(jié)構(gòu)類(lèi)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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小；90°太陽(yáng)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(yáng)照射方向變化時(shí)發(fā)生了自動(dòng)輻射熱平衡。但太陽(yáng)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)照射方向下的太陽(yáng)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(guò)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。