面向高精度探空溫度傳感器的結構設計與數值模擬*

戴 偉

(東南大學MEMS教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

大氣中各個垂直高度上隨時空分布的溫度、濕度和氣壓觀測資料能夠反映大氣熱力和動力過程，可作為氣候變化預估[1～5]、氣候診斷預測[6]、數值天氣預報[7～9]與大氣環境監測[10]等相關科學研究的基礎信息。

IPCC的AR5報告[11]基于8套無線電探空儀和衛星觀測數據集(HadAT2、 RAOBCORE1.5、RICH-obs、RICH-tau、RATPAC、UAH、RSS、STAR)針對全球1958年～2012年對流層低層和平流層低層大氣溫度的長期變化進行分析，地面和高空氣溫變化的平均速度在0.01～0.1 K/10a數量級，為更準確地觀測全球、大尺度和局地氣候變化研究，希望觀測的溫度傳感器精度能夠提高到與之相應的量級。

目前，珠狀熱敏電阻憑借體積小、熱慣性小和靈敏度高等優勢，在國內高空溫度探測得到了廣泛應用。但它的觀測誤差仍存在多種多樣，誤差來源主要包括自加熱效應、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精度的重要因素[12，13]。在進行高空溫度觀測時，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受水平風的影響產生一定的偏移，由于兩者體型的差異導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，在平面內易形成以探空氣球為固定點的鐘擺運動。這種擺動會實時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據，但這種解決方法改善的效果并不顯著。

本文創新提出一種具有四引線和十字形結構的傳感器方案設計，并通過計算流體動力學方法對新型探空溫度傳感器進行數值模擬實驗，驗證新結構設計改善擺動影響的有效性。后續在此基礎上，再進行地面高空實驗或高空放飛實驗，可以顯著降低人力和物力的耗費，提高相關研究的效率。

1 探空溫度傳感器觀測工況與結構設計

1.1 探空溫度傳感器的復雜工況

探空溫度傳感器在進行高空觀測業務時，探空氣球和探空儀在水平風的作用下，通過兩者中間的吊繩形成類似鐘擺運動的軌跡，其運動的平面軌跡如圖1所示。

圖1 探空儀類似鐘擺運動的平面示意

探空儀擺動會引起傳感器表面太陽照射方向的變化，這種方向變化會導致傳感器表面接收的太陽輻射面積發生變化，忽略這種影響易導致觀測結果與真實大氣溫度存在較大偏差。

1.2 四引線珠狀熱敏電阻結構設計

四引線十字型三維對稱式結構設計可隨著太陽照射方向變化進行輻射面積的自適應平衡，原理是基于電阻體和引線接收輻射面積的變化趨勢呈反向變化，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。以下針對四引線珠狀熱敏電阻的電阻體和引線進行輻射面積自適應平衡原理的闡釋，如圖2所示。

圖2 珠狀熱敏電阻在擺動中輻射面積自適應平衡原理

圖2中,θ和β分別為珠狀熱敏電阻相對于太陽的高度角和方位角，當β和θ均為0°時，電阻體接收的輻射面積最大，引線接收輻射面積最??；當β為0°和θ為90°時，電阻體接收的輻射面積最小，引線接收的輻射面積最大；通過該結構可實現傳感器輻射面積自適應平衡，從而顯著降低探空儀擺動對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境是無限空氣域，但數值計算無法通過建立無限網格來模擬無限空氣域。為平衡計算效率和精度，在珠狀熱敏電阻實體模型外部建立一個大小適中的長方體空氣域，代替無限空氣域進行數值計算。通過計算流體動力學方法建立傳感器和外圍空氣域的流固耦合模型如圖3，模型中長方體的左邊(即探空儀的上方)為氣流進口，右邊為氣流出口，并對氣流方向的空氣域進行加長，以保證數值計算時空氣流動特性能夠充分展示。

圖3 珠狀熱敏電阻和外圍空氣域的流固耦合模型

采用自適應性較強的非結構化網格劃分方法生成傳感器和外圍空氣域的網格模型，針對不同計算區域采用不同的網格大小，并對流固耦合面采用邊界層網格處理，提高數值計算結果的精度和捕捉邊界層內的物理現象。

運用計算流體動力學方法對珠狀熱敏電阻進行流固耦合數值仿真分析，其中，外部輻射耦合邊界條件用熱流密度表示。在計算模型中，采用控制容積法對三維計算區域的控制方程進行數值離散，流體進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，并進行定常流動計算。模型中因涉及輻射傳熱、對流換熱及熱傳導計算，故需要求解能量控制方程。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，動量、能量以及湍流參量的求解先采用一階迎風格式使計算結果收斂，再采用二階迎風格式提高計算結果的精度。

2.2 流固耦合數值仿真

通過數值計算求解珠狀熱敏電阻內部能量方程時，需要知道珠狀熱敏電阻各個部件的密度、比熱容和熱導率，其物性參數如表1。

表1 珠狀熱敏電阻的物性參數

運用計算流體動力學方法對不同太陽輻射方向下的四引線珠狀熱敏電阻進行流固耦合數值仿真，其中,太陽輻射強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

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

為進一步驗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XOZ平面內45°太陽照射方向旋轉到-YOZ平面內，旋轉步長為30°。運用計算流體動力學方法，對不同太陽輻射方向下的四引線珠狀熱敏電阻進行流固耦合數值仿真，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

根據圖5的數值仿真結果發現，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，數值仿真結果證明了四引線珠狀熱敏電阻的結構設計在三維空間里具有較優的輻射熱平衡性，可將修正精度提高到0.05 K量級。

3 四引線珠狀熱敏電阻的結構設計驗證

探空溫度傳感器的結構設計應遵循“擺動對太陽輻射誤差的修正影響最低”的原則，因此,提出了結構類似的兩引線和六引線設計方案，用于驗證四引線的結構設計是否達到最優。

3.1 兩引線珠狀熱敏電阻的數值仿真

兩引線結構在單一平面內屬于對稱結構，但在三維空間屬于非對稱結構，因此，針對兩引線結構應采用不同太陽照射狀態的雙平面研究，雙平面分別為XOZ平面和YOZ平面。運用計算流體動力學方法分別對YOZ平面和XOZ平面內不同太陽輻射方向下的兩引線珠狀熱敏電阻進行流固耦合數值仿真分析，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平面內不同太陽輻射方向下的珠狀熱敏電阻溫度分布

根據圖6(a)～(d)的數值仿真結果發現，在YOZ平面內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?；谏鲜鰯祿烧J為珠狀熱敏電阻在YOZ平面內輻射熱平衡效果較優，可有效降低太陽輻射方向變化時對珠狀熱敏電阻觀測結果的影響。但根據圖6(e)～(h)的數值仿真結果發現，在XOZ平面內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0.6 K，此時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現，在YOZ平面內珠狀熱敏電阻輻射熱平衡效果好的原因主要是當太陽照射方向變化時絕緣層表面和引線表面之間的輻照面積在進行自動平衡，例如0°太陽照射方向對應的絕緣層表面的輻射面積最大，而此時引線表面的輻射面積最??；90°太陽照射方向對應的絕緣層表面的輻射面積最小，此時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發生了自動輻射熱平衡。但太陽照射方向在XOZ平面變化時，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，導致輻照面積自動輻射熱平衡的狀態被打破，從而導致珠狀熱敏電阻在XOZ平面內的輻射熱平衡效果顯著變差。通過上述研究數據發現，引線設計在三維空間的不對稱是造成珠狀熱敏電阻在XOZ平面內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值仿真

六引線結構在三維空間屬于對稱結構，因此,針對六引線結構只采用單一平面XOZ進行研究，運用計算流體動力學方法對在XOZ平面內不同太陽輻射方向下的珠狀熱敏電阻進行流固耦合數值仿真分析，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平面內不同太陽輻射方向下的珠狀熱敏電阻溫度分布

根據圖7的數值仿真結果發現，六引線珠狀熱敏電阻在XOZ平面內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0.344 K。造成這種差異的主要原因,太陽照射方向為0°時，原本可以被輻射到的絕緣層表面有部分被引線遮擋，導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 論

本文針對珠狀熱敏電阻設計了一種在三維空間對稱的四引線十字型結構，并運用計算流體動力學方法研究了珠狀熱敏電阻在該結構下不同太陽照射方向和不同引線數量條件下的溫度分布，得出結論如下：

1)四引線十字型結構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化到0.05 K量級，這種結構設計能夠顯著降低擺動對溫度觀測的影響；

2)通過珠狀熱敏電阻兩引線和六引線結構的對比，驗證了四引線結構為最優設計方案。

相關研究結果可以為珠狀熱敏電阻提供更為合理的結構設計，在探空儀業務化測溫中具有重要的應用價值。