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探空温度传感器的数值分析与优化设计

作　者: 戴伟
导　师: 刘清惓
学　校: 南京信息工程大学
专　业:
关键词: 高空气象观测探空温度传感器辐射误差修正计算流体动力学数值仿真
分类号: TP212.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

珠状热敏电阻是目前搭载探空仪进行高空大气温度探测的主流探空温度传感器,利用此类传感器可获得从地面经对流层至平流层中下部大气温度的分布,从而为天气分析预报(尤其是数值天气预报)、气候诊断预测、气候变化预估和大气环境监测等相关科学研究提供观测数据,并可为气象卫星遥感测量结果提供校准。珠状热敏电阻具有体积小、重量轻以及响应速度快等优点,但珠状热敏电阻在白天进行高空垂直温度探测时易受太阳辐射的影响,导致探测温度结果偏大。为获得真实的高空大气温度,有必要对珠状热敏电阻的测量结果进行太阳辐射加热误差修正。目前国内外针对太阳辐射加热误差的修正方法主要包括风洞实验法和经验估测法,但是由于高空探测环境的制约,上述两种方法均存在一定的局限性。本文基于现有的研究和相关理论,提出采用数值仿真的方法,以弥补传统修正方法的不足,提高珠状热敏电阻的探测精度。在本项研究中,通过计算流体动力学软件对珠状热敏电阻进行流固耦合辐射传热仿真,获得珠状热敏电阻从地面升到32km高空的仿真修正数据,并对表面涂层反射率、陶瓷电阻体尺寸、引线夹角形态和太阳照射状态四个太阳辐射影响因子进行了研究。仿真结果表明,海拔高度与太阳辐射加热误差并非简单的线性关系,而是随着海拔高度的增加斜率不断增大的抛物线关系,不同的海拔高度需用不同的修正值,且从地面到32km高空呈不断增大趋势。在本课题研究中,发现珠状热敏电阻表面涂层反射率的提高和电阻体尺寸的减小在高气压条件下降低辐射加热有显著效果,然而在低气压条件下,太阳辐射对温度测量准确性的影响仍十分明显。根据数值分析结果进一步发现,无论是在高气压还是在低气压条件下,在不同太阳照射状态下,引线夹角为30°的珠状热敏电阻都是最优的引线夹角设计方案。本文提出运用计算流体动力学软件对珠状热敏电阻进行流固耦合辐射传热的仿真研究可为探空温度传感器的设计提供支持,为优化辐射误差修正方法提供数据和算法支持,从而提高探空温度传感器的测量精度,并有望为气候变化研究水平、数值预报精度和卫星遥感大气垂直温度分布的精度做出贡献。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章绪论  10-19
  1.1 高空大气温度探测的研究意义  10-11
  1.2 高空大气温度探测的辐射误差来源问题初窥  11-12
  1.3 探空温度传感器太阳辐射误差的研究方法概述及进展  12-18
    1.3.1 低气压辐射风洞实验法  13
    1.3.2 经验估测太阳辐射误差修正法  13-15
    1.3.3 简化模型计算法  15
    1.3.4 多个不同涂层传感器组合法  15-16
    1.3.5 提出运用数值仿真分析解决太阳辐射误差问题的方法  16-18
  1.4 本文的主要工作  18-19
第二章基础理论  19-43
  2.1 无线电探空仪简介  19-21
  2.2 国内外探空仪搭载的温度传感器简介  21-23
    2.2.1 珠状热敏电阻  21-22
    2.2.2 棒状热敏电阻  22
    2.2.3 片状热敏电阻  22
    2.2.4 双金属片传感器  22-23
    2.2.5 热电偶  23
  2.3 三种传热方式  23-25
    2.3.1 热传导  23-24
    2.3.2 热对流与对流换热  24-25
    2.3.3 热辐射  25
  2.4 计算流体动力学简介  25-31
    2.4.1 CFD的三大控制方程  26-27
    2.4.2 CFD的基本思想  27
    2.4.3 CFD方法与传统方法的比较  27-28
    2.4.4 CFD分析中使用的网格划分方法  28-29
    2.4.5 CFD的数值计算方法  29-30
    2.4.6 CFD的求解过程  30-31
  2.5 流固耦合传热  31-33
  2.6 计算流体动力学软件FLUENT  33-43
    2.6.1 太阳射线跟踪算法  34-35
    2.6.2 可压缩流体与不可压缩流体  35
    2.6.3 定常流与非定常流  35-36
    2.6.4 层流与湍流  36-37
    2.6.5 SIMPLE算法  37
    2.6.6 一阶迎风格式  37-39
    2.6.7 二阶迎风格式  39-40
    2.6.8 压力基求解器与密度基求解器  40-41
    2.6.9 边界条件  41-43
第三章珠状热敏电阻物理模型的建立及求解参数的设定  43-52
  3.1 三维建模软件GAMBIT简介及FLUENT工作流程  43-44
  3.2 珠状热敏电阻的结构及物性参数  44-45
  3.3 珠状热敏电阻的物理简化模型  45-46
  3.4 珠状热敏电阻外部气象环境的确定  46-47
  3.5 珠状热敏电阻流固耦合传热理论分析  47-50
    3.5.1 太阳辐射  47-48
    3.5.2 探空仪上升过程中的对流换热  48-49
    3.5.3 流固耦合传热的物理形成机制  49-50
  3.6 边界条件及计算方法  50-52
    3.6.1 边界条件的设定  50-51
    3.6.2 计算方法  51-52
第四章无引线模式下的太阳辐射误差数值分析  52-63
  4.1 不同电阻体尺寸和表面涂层发射率下的数值分析  52-59
    4.1.1 无引线模式下珠状热敏电阻实体模型的建立  52-53
    4.1.2 实体模型的网格划分  53-54
    4.1.3 计算的收敛性分析  54-55
    4.1.4 仿真结果分析  55-59
  4.2 不同电阻体尺寸下的太阳辐射误差数值分析  59-63
第五章引线模式下的太阳辐射误差数值分析  63-74
  5.1 不同引线夹角形态下珠状热敏电阻实体模型的建立  64-65
  5.2 实体模型的网格划分  65-67
  5.3 不同引线夹角形态的对比  67-70
  5.4 三种太阳照射状态下的太阳辐射误差数值分析  70-72
  5.5 无引线模式与引线模式的对比  72-74
第六章总结与展望  74-78
  6.1 论文工作总结  74-75
  6.2 尝试初步解决的科学技术问题  75-76
  6.3 后续研究设想及展望  76-78
参考文献  78-84
致谢  84-85
作者简介  85

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