基于流体动力学的探空温度传感器太阳辐射误差研究*

曹鸿霞， 顾秋峰， 蒋　航， 潘晓晖， 储剑秋， 刘清惓

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；3.南京信息工程大学 环境科学与工程学院，江苏 南京 210044)



基于流体动力学的探空温度传感器太阳辐射误差研究*

曹鸿霞1,2， 顾秋峰1,2， 蒋航1,3， 潘晓晖1,2， 储剑秋1,2， 刘清惓1,2

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；3.南京信息工程大学 环境科学与工程学院，江苏 南京 210044)

摘要:针对太阳辐射加热导致的误差显著限制了温度测量的准确度的问题，提出了基于流体动力学的太阳辐射误差的修正方法——数值分析法。建立从地面到32 km高空不同气压条件下珠状热敏电阻器探空温度传感器的误差热分析模型，通过计算流体动力学对其进行太阳辐射误差数值模拟分析。着重研究了太阳辐射方向、传感器表面涂层反射率、传感器尺寸等物理参数对太阳辐射误差的影响。研究结果表明：太阳辐射引起的温度测量误差随海拔高度的上升呈现非线性单调递增的变化趋势。当太阳辐射方向垂直于传感器正面时误差最大，增大传感器表面涂层反射率、减小传感器尺寸都能有效降低太阳辐射误差。

关键词:温度传感器； 流体动力学； 太阳辐射误差； 珠状热敏电阻器

0引言

大气各个高度层面上的垂直温度分布反映了大气的热力学过程，是天气现象发生的重要环节，是进行天气分析预报、气候变化预估和大气环境监测等的基础信息[1,2]。在高空探测领域，目前，国内外普遍采用气球悬挂无线电探空仪技术，探测自地面至几十千米高空的大气温度、气压、湿度等气象要素的垂直廓线[3]。珠状热敏电阻器是探空仪上进行温度探测的主流传感器[4]。而太阳辐射测量误差被认为是在有阳光照射条件下探空仪温度测量误差的主要来源[5,6]。目前，国内外不少气象学者对太阳辐射误差进行了研究[7～11]。研究方法主要包括风洞实验法和经验估测法，但这两种方法均存在不足。一方面设计和制造模拟高空太阳辐射环境的低气压辐射风洞具有相当大的难度和高昂的成本，而且这种简易实验平台获得的测量结果是否能代表实际探空数据，尚缺乏深入的后续研究。另一方面,探空仪厂商提供的经验估测修正方法未考虑传感器材料、外形尺寸以及表面涂层反射率等因素，而实际上这些因素都能够显著影响太阳辐射误差修正的效果。

针对探空温度传感器太阳辐射误差修正的具体问题，考虑到上述诸影响因素的复杂性，本文提出采用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)方法对珠状热敏电阻探空温度传感器进行模拟计算数值分析。系统地研究在不同海拔高度下，太阳辐射方向、表面涂层反射率和传感器尺寸等因素对太阳辐射误差的影响。

1探空温度传感器的物理模型

关于探空温度传感器太阳辐射误差修正，已有文献建立的是没有支架结构的温度传感器物理模型[12,13]。本文建立了具有支架结构的温度传感器数值分析模型，研究了其太阳辐射误差修正。图1是具有一定支架结构的温度传感器的物理模型，包括珠状热敏电阻器和支架。图1(a)是传感器的正面视图，图1(b)是珠状热敏电阻器的结构示意图。由图可知，支架近似为U型开口的长方形薄框架结构，其结构参数为40 mm×20 mm×2 mm(长度×宽度×厚度)。珠状热敏电阻器包括球型的电阻体、椭球型的环氧树脂绝缘层和引线。电阻体被包裹在绝缘层内，通过引线将信号送至探空仪内进行处理。

图1　温度传感器的物理模型Fig 1　Physical model for temperature sensor

2温度传感器的计算模型与流固耦合传热分析

2.1温度传感器三维模型的建立

用CFD方法对探空温度传感器进行太阳辐射误差分析，包含建模、网格划分、稳态热分析和通用后处理等步骤[14～16]。采用CAD三维软件Pro/E建立温度传感器的实体计算模型。计算模型包括图1所示的珠状热敏电阻器和支架，以及传感器周围的空气域。为使精度足以满足计算要求，所建立的空气域尺寸设置为传感器模型尺寸的10倍，为400 mm×200 mm×20 mm。

2.2网格划分

应用前处理软件ICEM对Proe/E建立的实体模型进行网格划分。采用适应性较强的非结构化四面体网格生成方法。图2是温度传感器模型的网格划分，图(a)是整体网格，图中间的实体部分是温度传感器，外围是空气域。图(b)，(c)分别是支架和珠状热敏电阻器的网格。因为对局部区域进行了网格加密处理，图2中珠状热敏电阻器的网格远远小于空气域的网格。计算模型分为进口、出口、固壁面和换热模块壁面 4 个区域，对网格进行质量分析，达到模拟计算的要求。

图2　温度传感器模型的网格划分Fig 2　Mesh generation of temperature sensor model

2.3流固耦合传热分析与相关参数设置

本文采用Fluent仿真软件建立探空温度传感器的稳态传热分析模型，对其外部施加对流—太阳辐射耦合热边界条件，进行流固耦合传热分析。模型中气体流速等于探空仪的上升速度6 m/s。因流体流速较低，可近似为不可压缩流体[17]。求解中采用基于压力的求解器，并采用定常流动计算；利用能量方程对模型进行传热计算，湍流粘性采用Laminar 模型；压力和速度解耦合采用 SIMPLE 算法；动量、能量以及湍流参量的求解采用二阶迎风模式；流体进口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件。因为气压的变化对珠状热敏电阻外部的对流传热有显著的影响，根据美国1976年标准大气绘出大气压、空气密度与海拔高度的关系曲线如图3所示[18]。由图3可见，大气压随海拔高度的上升逐渐下降。将大气压转换成大气密度，在Fluent软件中通过设置空气密度来表征不同的海拔高度。

图3　大气压和空气密度与海拔高度的关系Fig 3　Relationship between atmosphere pressure and air density

珠状热敏电阻器的电阻体和引线材料分别设置为三氧化二铝和铂，绝缘层和支架材料设置为环氧树脂，表1给出了流体和温度传感器材料的特性参数。根据传感器计算分析模型，设置传感器对流传热环境的太阳辐射、温度、风速等相关参数，对已设定的条件进行初始化并最终完成数值模拟计算。

表1　流体和温度传感器材料的特性参数

3结果与讨论

3.1太阳辐射方向对太阳辐射误差的影响

选取了三个坐标轴向(X,Y,Z)来研究太阳辐射方向对温度测量的影响。温度传感器的结构与尺寸示于图1，表面涂层反射率为70 %，通过Fluent对传感器进行温度场的数值模拟。图4(a),(b),(c)给出了传感器在32 km处，太阳辐射方向沿X(传感器顶部)、Y(传感器侧面)、Z(传感器正面)方向的温度场分布图。数值计算中温度的初始值设置为32 km处的大气温度[19]。由图可见，太阳辐射方向对传感器温度场的分布有显著影响。计算X,Y,Z三个方向电阻体的体平均温度，得到太阳辐射引起的温度测量误差分别是1.527,0.460,3.921 K,即太阳沿着Z方向辐照时误差最大，沿着Y方向时测量误差最小。

图4　不同太阳辐射方向的温度场分布图Fig 4　Distribution of temperature fields in different directions of solar radiation

3.2传感器表面涂层反射率对太阳辐射误差的影响

本文针对表面涂层反射率在50 %～90 %(步长10 %)之间的温度传感器，研究比较了反射率对太阳辐射加热误差的影响。传感器的结构和尺寸如图1所示，太阳辐射沿着X方向，通过Fluent对传感器进行温度场的数值模拟。图5给出了0～32 km海拔高度下太阳辐射误差与表面涂层反射率之间的关系。由图可见:因为反射率越高，传感器吸收的太阳辐射越少，故太阳辐射误差随反射率的增加而逐渐降低。

图5　不同表面涂层反射率的太阳辐射误差与海拔高度的关系Fig 5　Relationship between altitude and solar radiation errors of different surface coating reflectivity

3.3传感器尺寸对太阳辐射误差的影响

本文选取珠状热敏电阻器中电阻体的直径范围为0.6～1.2 mm(步长0.2 mm)，来研究传感器尺寸对温度测量误差的影响。数值计算中表面涂层反射率设置为70 %。不同电阻体尺寸的太阳辐射误差与海拔高度的关系曲线如图6所示。由图可见，在同一海拔高度测量误差随电阻体尺寸的增加逐渐增大。在较低的海拔高度下，不同电阻体尺寸的辐射误差比较接近，高海拔下的误差差值较大。这说明低海拔下电阻体尺寸对辐射误差的影响较弱，而高海拔下的影响更为显著。

图6　不同电阻体尺寸的太阳辐射误差与海拔高度的关系Fig 6　Relationship between altitude and solar radiation errors of different sizes of resistor body

3.4数值计算结果与实验结果的对比

将上文数值计算出的太阳辐射误差和文献报道中的实验结果进行对比。根据WMO气象仪器和观测方法指南(第7版)提供的不同海拔高度下温度的测量资料[19]，表2给出太阳辐射误差比较的结果。表2中模拟计算模型的电阻体尺寸为0.8 mm，表面涂层反射率为70 %，误差修正范围的上、下限分别对应太阳辐射方向沿着X,Z轴。综合比较可以看出，本文的数值计算结果与WMO实验测量数据比较符合。这表明了本文提出的太阳辐射误差数值分析方法的有效性。

表2　本文数值仿真的太阳辐射误差结果和WMO修正值的比较

4结论

本文通过计算流体动力学软件Fluent对探空温度传感器在0～32 km海拔高度下太阳辐射加热引起的温度测量误差进行了数值模拟分析，讨论了太阳辐射方向、传感器表面涂层反射率、传感器尺寸对太阳辐射误差的影响，得到如下结论：太阳辐射对探空温度传感器的温度测量有显著影响，太阳辐射误差随海拔高度的上升明显增加，因此，须对其进行修正。太阳辐射方向对辐射误差的影响显著。太阳辐射误差随表面涂层反射率的增加而降低，且随电阻体直径的增加逐渐增大。数值计算结果与文献实验测量数据符合较好。

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Research on solar radiation error using sounding temperature sensor based on fluid dynamics*

CAO Hong-xia1,2, GU Qiu-feng1,2, JIANG Hang1,3, PAN Xiao-hui1,2, CHU Jian-qiu1,2, LIU Qing-quan1,2

(1.Nanjing University of Information Science and Technology,Jiangsu Key Laboratory of Meteorological and Information Processing,Nanjing 210044,China;2.Nanjing University of Information Science and Technology,School of Electronic and Information Engineering,Nanjing 210044,China;3.Nanjing University of Information Science and Technology,School of Environmental Science and Engineering,Nanjing 210044,China)

Abstract:Aiming at problem that error of sounding temperature sensor induced by solar radiation seriously affects the accuracy of temperature measurement,present a novel numerical analysis method based on computational fluid dynamics to correct solar radiation error.The error thermal analysis model of sounding temperature sensor with bead thermistor is established from ground to 32km altitude with different air pressures,and computational fluid dynamics is employed for numerical simulation analysis of solar radiation error.The solar radiation errors are reported in different physical parameters such as the direction of solar radiation,the surface coating reflectivity of sensor and the size of sensor.The results show that the solar radiation errors present a non-linear monotone increasing trend with the rise of altitude.Among the errors caused by solar radiation,the error is biggest in the direction perpendicular to the front of the sensor.The simulation results also indicate that the solar radiation error can be significantly reduced by improving the surface coating reflectivity of sensor,or reducing the size of sensor.

Key words:temperature sensor; fluid dynamics; solar radiation error; bead thermistor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0005—04

收稿日期：2015—04—28

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(41275042)；国家公益性行业(气象)科研专项项目(GYHY201306079)；江苏高校优势学科Ⅱ期建设工程资助项目；江苏省气象探测与信息处理重点实验室开放课题(KDXS1303)；国家大学生创新创业训练计划资助项目(201410300011)；南京信息工程大学大学生创新创业训练计划资助项目(201310300105，201410300192)

中图分类号:TP 212.1

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)02—0005—04

作者简介:

曹鸿霞(1972-)，女，江苏南京人，博士，讲师，主要研究方向为功能材料及其气象探测传感器技术。