冒曉莉,李美蓉,張加宏,單 鵬

(1.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實驗室,南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,南京 210044)

在全球變暖的背景下,自然氣象災(zāi)害是當(dāng)今全球面臨的重大問題之一。據(jù)2017年前三季度統(tǒng)計,各類自然災(zāi)害已造成全國1.26億人次受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失1 737億元[1]。氣象災(zāi)害給國家?guī)淼慕?jīng)濟(jì)損失約占各種自然災(zāi)害的70%及以上。這些自然氣象災(zāi)害的發(fā)生與高空溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速等氣象因素密切相關(guān),因而高精度的高空氣象要素測量對準(zhǔn)確的天氣預(yù)報、災(zāi)害預(yù)測、氣象災(zāi)害分析與預(yù)警以及減災(zāi)防災(zāi)具有重大意義。在自然氣象災(zāi)害中,暴雨洪澇所帶來的災(zāi)害不可小覷,這與高空氣象要素尤其是濕度的精確測量有著密切的關(guān)系,而濕度測量相對其他氣象要素如溫度、氣壓等測量過程更為復(fù)雜、易受環(huán)境影響、精度較低,因此研究高空濕度的精確測量尤為重要。高空氣象探測目前主要有無線探空儀、氣象探測火箭、氣象衛(wèi)星等,其中無線探空儀由于其價格便宜、操作方便、容易獲得不同海拔的垂直氣象要素而被廣泛應(yīng)用于各個氣象站。通過國際探空儀對比實驗(2010年在陽江舉行的第八屆氣象組織探空對比試驗),我國的探空儀目前在溫度、氣壓和風(fēng)速風(fēng)向等氣象要素的測量上已經(jīng)與其他國家的探空儀保持了很好的一致性,但濕度測量精度方面與國際知名探空儀芬蘭Vaisala探空儀仍有一定差距[2]。

隨著科技的不斷發(fā)展,濕敏電容傳感器由于其靈敏度高,響應(yīng)快等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。在減小濕度測量誤差方面采取了一些措施,主要通過優(yōu)化濕度傳感器材料和結(jié)構(gòu)[3]。通過改變電容極板的直徑、長度、厚度和間距以及制備多孔結(jié)構(gòu)提高測量精度[4]。針對濕度傳感器高空結(jié)露、結(jié)冰導(dǎo)致測量誤差的問題,提出了加熱式濕度傳感器[5-7];由于濕度傳感器性能容易受溫度影響,因此在濕度測量時有必要對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償,溫度補(bǔ)償包括硬件補(bǔ)償和軟件算法補(bǔ)償[8-10],但是在高海拔低溫條件下,溫度補(bǔ)償算法并沒有顯著提高濕度測量的精度。國外通過數(shù)據(jù)分析和實驗對比發(fā)現(xiàn)Vaisala無線電探空相對濕度存在偏干的現(xiàn)象,起初認(rèn)為是由濕度傳感器中的介質(zhì)聚合物受到污染和傳感器使用年限長導(dǎo)致的[11]。但隨著深入研究發(fā)現(xiàn)濕度測量的偏干誤差與太陽輻射密切相關(guān)[12-14]。由于太陽輻射導(dǎo)致濕度傳感器周圍空氣溫度升高,從而使飽和水汽壓升高,而相對濕度與飽和水汽壓呈反比,進(jìn)而導(dǎo)致所測的相對濕度偏干。

近十幾年來對于太陽輻射偏干誤差的研究主要是通過在全球大氣實驗項目中進(jìn)行對比分析。將不同探空儀進(jìn)行同球釋放對比分析濕度廓線數(shù)據(jù),同時將探空儀測量的濕度數(shù)據(jù)與公認(rèn)較為準(zhǔn)確的露點(diǎn)儀等儀器的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析,此外也將修正后的數(shù)據(jù)與微波輻射計、GPS等獲得的水汽總量進(jìn)行比對[15-20],這些研究方法雖然在一定程度上提高了測量精度,但是需要龐大的資金投入和人力投入。國內(nèi)已有專家采用流體動力學(xué)方法(CFD)對太陽輻射誤差修正問題進(jìn)行相關(guān)研究,包括探空溫度測量[21-23]和探空濕度[24-26]測量。本文主要以目前國際使用比較多的奧地利E+E公司的HC103M2型電容式濕度傳感器為研究對象,建立帶有防護(hù)罩的濕度測量系統(tǒng)模型,通過仿真分析太陽輻射誤差,并搭建實驗平臺,對仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

1 相關(guān)理論與模型

1.1 相對濕度相關(guān)概念

電容濕度傳感器HC103M2,實物如圖1所示,為了避免下雨導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確,設(shè)計了兩種高反射率的防護(hù)罩,如圖2所示。

圖1 濕度傳感器及支架

圖2 兩種防護(hù)罩實物圖

濕度測量原理為,傳感器上的感濕膜作為電容的介質(zhì),感濕膜中水汽分子的含量影響介電常數(shù),從而改變電容,即通過測量電容可獲得空氣的相對濕度值。相對濕度RH表征空氣干濕狀況,由式(1)表示:

(1)

式中:e為空氣中實際水汽壓,E為此溫度下空氣的飽和水汽壓。而飽和水汽壓與溫度有關(guān),圖3所示為空氣的飽和水汽壓與溫度的關(guān)系曲線。

圖3 飽和水汽壓與溫度的關(guān)系

由圖3可見,隨著溫度的增加飽和水汽壓E會增大。當(dāng)空氣中的水汽壓e保持不變,若溫度升高,飽和水汽壓壓增加,進(jìn)而導(dǎo)致相對濕度值偏小。本文因此設(shè)計了兩個溫度傳感器,其中一個測量環(huán)境中的實際溫度T0,另一個測濕度傳感器表面溫度T1,空氣溫度T0和T1下對應(yīng)的飽和水汽壓分別為E0和E1,實際環(huán)境中的相對濕度RH0=e/E0,由于太陽輻射加熱導(dǎo)致的相對濕度RH1=e/E1,則由太陽輻射引起的濕度測量的相對誤差er為

圖4 探空濕度測量太陽輻射誤差修正研究方法圖

(2)

式中:G(T)為Goff-Gratch公式,即飽和水汽壓與溫度的關(guān)系式。探空儀在高空進(jìn)行濕度測量時,太陽輻射加熱導(dǎo)致濕度的測量產(chǎn)生偏干誤差,由以上分析可知er與太陽輻射加熱導(dǎo)致的溫升ΔT直接相關(guān),因此可根據(jù)環(huán)境溫度T0和ΔT的值再結(jié)合Goff-Gratch公式求出濕度測量的相對誤差。

1.2 太陽輻射相關(guān)參數(shù)計算

2014年戴秋敏提出了在晴天條件下直接和漫射輻照的太陽輻射模型,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)太陽輻射量大小與海拔高度、太陽高度角、大氣氣溶膠厚度、相對空氣質(zhì)量以及絕對空氣質(zhì)量等相關(guān)[27]。該模型具有良好的預(yù)測精度,經(jīng)驗證平均絕對誤差為2.2%以內(nèi)。太陽輻射直接輻射強(qiáng)度IDN計算公式如下:

(3)

式中:Isun為太陽輻射常數(shù),mA為絕對空氣質(zhì)量,w為不同高度的大氣氣溶膠厚度,mR為相對空氣質(zhì)量,τ為不同海拔高度的水汽量。Isun、mA、w和mR可分別由式(4)～式(7)計算得到。

Isun=1 367×(1.017+0.017 4cosb)

(4)

mA=mR×(P/101 325)

(5)

w=1.416×exp(-0.44H)

(6)

mR=[sin(h/180π)+0.15(3.885+h/180π)]1.253

(7)

式(4)～式(7)中:b為真近點(diǎn)角,mR為相對空氣質(zhì)量,H為海拔高度,h為太陽高度角,其中b和mR可由式(8)、式(9)得到。

b=2nπ/365+0.03 34×sin(2nπ/365)+
0.000 349×sin(4nπ/365)

(8)

mR=[sin(h/180π)+0.15(3.885+h/180π)]1.253

(9)

式(8)中n為一年中的某一天,n=1代表1月1日,n=2代表1月2日,其他日期依次疊加類推;太陽高度角h可由探空日期時刻計算得出。因此不同海拔的太陽輻射強(qiáng)度可由探空日期、探空時刻、海拔高度和氣壓等計算得出。

2 研究方法及仿真結(jié)果

2.1 研究方法

圖4為探空濕度測量太陽輻射誤差修正研究方法示意圖,主要分仿真和實驗兩部分。仿真部分首先采用三維建模軟件Pro/E建立濕度測量系統(tǒng)模型,然后使用ICEM對所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最后采用國際主流軟件Ansys Fluent對劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行流固耦合傳熱分析研究濕度傳感器由于太陽輻射引起的加熱效應(yīng)。在得到濕度傳感器上由于太陽輻射引起的溫度差之后,再結(jié)合飽和水汽壓的公式推導(dǎo)出濕度測量的相對誤差。實驗部分包括設(shè)計濕度測量系統(tǒng)電路并在太陽輻射儀實驗平臺上設(shè)計對比實驗,將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比以驗證仿真結(jié)果的可靠性。最后得出具體的探空濕度測量太陽輻射誤差修正因子。

圖6 模型圖

2.2 建立模型、網(wǎng)格劃分及仿真設(shè)置

首先,采用CAD高端三維建模軟件Pro/E進(jìn)行建模,圖5為Pro/E所建模型示意圖。選用濕度傳感器HC103M2、支架和所建模型如圖6所示。濕度傳感器的尺寸為6.86 mm×2.85 mm×0.6 mm;支架形狀為倒U型,內(nèi)徑為5.86 mm×10.85 mm,支架寬度為 1 mm,厚度為0.5 mm;防護(hù)罩Ⅰ為倒扣圓筒狀,高16.5 mm,內(nèi)徑14 mm,厚0.5 mm;由圖中可以看出防護(hù)罩Ⅱ的形狀與防護(hù)罩Ⅰ類似,但是頂面有一個45°的斜坡狀,其高21 mm,內(nèi)徑16 mm,厚0.4 mm?？諝庥蛞话銥樗Ｐ?0倍時,可以滿足計算精度,本文選用的空氣域尺寸為270 mm×120 mm×100 mm,并且模型位于空氣域的上半部分,目的是保證下方氣流空間足夠大,具體如圖5所示。

圖5 Pro/E所建模型示意圖

然后,采用ICEM對實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選用非結(jié)構(gòu)化四面體生成網(wǎng)格。參照模型的尺寸以及網(wǎng)格劃分規(guī)則,網(wǎng)格參數(shù)如下:空氣域為8,尺寸較小的防護(hù)罩為0.5,內(nèi)支架和濕度傳感器均為0.3。生成網(wǎng)格數(shù)量大概70萬,網(wǎng)格質(zhì)量大于0.35,滿足其大于0.2的要求。圖7所示為網(wǎng)格劃分情況。

圖7 網(wǎng)格劃分情況

最后,將網(wǎng)格劃分好的模型導(dǎo)入ANSYS FLUENT進(jìn)行仿真計算。因為需要研究太陽輻射對測量系統(tǒng)模型的影響,軟件仿真時需加載太陽輻射模型,不同海拔太陽輻射強(qiáng)度可跟據(jù)2.2太陽輻射相關(guān)參數(shù)計算獲取。求解模型選擇基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器和k-epsilon 湍流模型,根據(jù)實際情況定義模型中各個部分材料的屬性,濕度傳感器的材料為硅,支架采用環(huán)氧樹脂,防護(hù)罩是具有高反射率的鋁,以上材料的相關(guān)特性如表1所示。接下來設(shè)置離散初始條件和邊界條件,入口采用速度入口,選擇為6 m/s;出口采用壓力出口,并根據(jù)實際情況設(shè)置各壁面的初始溫度、輻照情況等;通過改變空氣密度來表征不同海拔。最后選擇求解壓力關(guān)聯(lián)方程SIMPLE算法和精度高的二階迎風(fēng)方式。仿真計算結(jié)束后將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,并對速度場、壓力場、溫度場等進(jìn)行分析研究。

表1 濕度測量系統(tǒng)材料特性

2.3 仿真結(jié)果

通過在Fluent軟件模擬仿真可知,由于太陽輻射的影響,濕度傳感器出現(xiàn)了溫升情況,即濕度傳感器上的溫度高于環(huán)境真實溫度(表示為輻射升溫量ΔT)。

圖8 20 km處的溫度場、氣壓場與速度場分布

建立帶有防護(hù)罩的濕度測量系統(tǒng),在Fluent中進(jìn)行設(shè)置模擬海拔高度20 km的氣壓、溫度、太陽輻射等情況,圖8給出了溫度場、氣壓場和速度場的仿真結(jié)果。由溫度場可以看出,防護(hù)罩內(nèi)的溫度明顯高于外界環(huán)境溫度,溫度差大概是5 K,濕度傳感器位于防護(hù)罩內(nèi),故濕度傳感器表面的溫度也是高于環(huán)境溫度的,顯然在太陽輻射的作用下,濕度傳感器上出現(xiàn)了溫升情況。究其原因是防護(hù)罩吸收了太陽輻射而溫度升高,使得防護(hù)罩周圍的空氣溫度也跟著升高。從速度場和氣壓場可以看出,氣流遇到防護(hù)罩后速度變慢,氣流流動對防護(hù)罩的散熱也隨之變慢,導(dǎo)致熱量在防護(hù)罩上集聚,此外,由于防護(hù)罩倒扣形狀導(dǎo)致內(nèi)部氣流很難跟外界交換,也就導(dǎo)致罩內(nèi)的溫升比罩外的高很多。

下面通過在軟件中修改相應(yīng)設(shè)置,研究了太陽輻射、防護(hù)罩以及海拔高度對溫度誤差的影響,仿真結(jié)果如圖9～圖11所示,下面逐一分析。

圖9 太陽輻射強(qiáng)度海拔高度對輻射升溫量的影響

從圖9的三維圖中可以看出,隨著輻射強(qiáng)度和海拔的增大,輻射升溫量ΔT也不斷增大,16 km以下輻射升溫量較小,兩個方面原因,一是由于低海拔區(qū)域距離太陽源較遠(yuǎn),太陽輻射輻射強(qiáng)度較小高空小,更主要的是由于低空氣流密度大,較高空散熱快導(dǎo)致;當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度不變設(shè)為1 000 W/m2情況下,從圖9中可看出隨著海拔高度的升高,三維圖中相應(yīng)的顏色越深,即ΔT越大,這是由于海拔越高,空氣分子越稀薄,空氣分子對濕度傳感器上的散熱效果變差導(dǎo)致的;其次,在某一海拔高度下,設(shè)為28 km,由圖9可見太陽輻射強(qiáng)度越大,三維圖中相應(yīng)的顏色越深,即ΔT越大,說明輻射升溫量ΔT與太陽輻射強(qiáng)度呈正相關(guān)。

圖10 太陽高度角對輻射升溫量的影響

圖10顯示了不同太陽高度角下的輻射升溫量,由圖可見隨著太陽高度角的增加,輻射升溫量ΔT在不斷降低,高空尤為明顯,主要因為太陽高度角改變了物體與太陽輻射的接觸面積,當(dāng)太陽高度角為90°時,接受輻射面積最小,ΔT也最小,相反當(dāng)太陽高度角為0時,輻射升溫量ΔT最大,由此可見太陽高度角對其影響較大。

再來分析圖11,其展示了兩種不同防護(hù)罩對仿真結(jié)果的影響。首先,在12 km以下,兩種防護(hù)罩導(dǎo)致的輻射升溫量都較小;其次,12 km～28 km,防護(hù)罩Ⅱ溫度誤差大于防護(hù)罩Ⅰ,究其原因為防護(hù)罩Ⅱ的尺寸大于防護(hù)罩Ⅰ,導(dǎo)致受輻射面積較大,進(jìn)而導(dǎo)致ΔT較大;再者,在28 km以上,防護(hù)罩Ⅰ的輻射升溫量反而高于防護(hù)罩Ⅱ,這是因為28 km以上的空氣越來越稀薄,防護(hù)罩Ⅰ由于內(nèi)部空間較防護(hù)罩Ⅱ小,其阻礙空氣的流通更明顯,進(jìn)而導(dǎo)致防護(hù)罩Ⅰ的輻射升溫量高于防護(hù)罩Ⅱ的輻射升溫量。

圖11 不同形狀的對輻射升溫量的影響

圖12模擬仿真了不同氣流速度對太陽輻射升溫的影響,從圖中可以看出隨著氣流速度增大輻射升溫量隨之降低,主要是由于氣流流速變大后,導(dǎo)致罩內(nèi)氣流流通散熱加強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致輻射升溫量ΔT相對較小。

圖12 不同流速對輻射升溫量的影響

3 硬件設(shè)計及實驗平臺搭建

為了驗證仿真結(jié)果的正確性,設(shè)計濕度測量電路并搭建實驗測試平臺,如圖13所示。根據(jù)前面所述電容濕度傳感器的測濕原理即通過電容反應(yīng)外界相對濕度,故設(shè)計測量電容電路即可。本文采用555多諧振蕩電路測量電容,根據(jù)測量振蕩電路的周期或頻率可以求出實時電容值,進(jìn)而得到相對濕度。溫度傳感器采用高精度的pt1000,其中一個位于濕度傳感器表面,另一個位于遠(yuǎn)離濕度傳感器以獲取環(huán)境真實溫度。

圖13 硬件部分

實驗測試平臺主要由真空環(huán)境模擬管,SS-150A全光譜射線模擬系統(tǒng)、氣壓泵、流量計組成。實驗過程中由輻射儀提供輻射源,模擬太陽輻射,其強(qiáng)弱變化可通過調(diào)節(jié)輻射儀功率或改變輻射儀到真空管的距離來實現(xiàn),具體大小由輻射檢測板通過高精度數(shù)字電壓表進(jìn)行實時檢測。對于不同海拔的表征是通過氣壓泵抽氣改變管中的氣壓來模擬實現(xiàn),氣壓泵的抽氣流量由流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)并進(jìn)行監(jiān)控,關(guān)于氣體流量、管內(nèi)的氣壓、流速等參數(shù)的關(guān)系由式(10)決定:

(10)

式中:qs為流量計的數(shù)值,ve為空氣流速,re為真空管半徑2.5 cm,pe為管內(nèi)氣壓,p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓大小101.325 kPa。由于探空儀上升速度大概為6 m/s,則傳感器與氣流之間的相對速度為6 m/s,所以在模擬管中設(shè)置氣流流速來模擬探空儀在大氣中的上升過程。在式(10)中,re和p0是固定的,若ve設(shè)置為6 m/s,則某一海拔高度的氣壓pe對應(yīng)著某一流量qs。具體調(diào)節(jié)方法是,將某一海拔高度的pe代入式(10)求出對應(yīng)的qs,根據(jù)計算出的qs調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)器,同時通過壓阻真空計實時監(jiān)測管內(nèi)的氣壓,微調(diào)氣壓調(diào)節(jié)閥使得管內(nèi)氣壓為預(yù)設(shè)的pe,此時管內(nèi)的氣流流速一定也與設(shè)定值一致。由式(10)可以看出,在其他參數(shù)都一定的情況下,流量qs與pe是呈正相關(guān)的,當(dāng)模擬低空環(huán)境時,qs較大,也就是說需要壓縮泵抽氣能力增大,由于該系統(tǒng)壓縮泵的功率有限,模擬低空環(huán)境難度較大。太陽輻射誤差在高空尤為明顯,研究平流層以上的高空更為重要,為了保證實驗的準(zhǔn)確性,本實驗平臺從14 km～32 km對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗驗證。

將濕度傳感器和兩個溫度傳感器置于模擬管內(nèi),其信號通過航空插頭線接外部主電路,實驗數(shù)據(jù)由STM32單片機(jī)接收并進(jìn)行相應(yīng)計算處理。實驗過程中,通過一定時間輻射管內(nèi)兩個溫度傳感器溫度值趨于穩(wěn)定時記錄此時的溫度差。

4 實驗結(jié)果分析及濕度廓線誤差修正

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,對具體的模型及仿真條件進(jìn)行實驗驗證,對比結(jié)果如圖14～圖16所示。主要包括對比不同輻射強(qiáng)度、不同風(fēng)速、以及兩種不同防護(hù)罩模型條件下的仿真值和實驗結(jié)果。實驗中通過調(diào)整全光譜儀的距離來改變輻射強(qiáng)度,調(diào)整流量計和氣壓大小,對14 km及以上海拔進(jìn)行實驗驗證,其中仿真和實驗太陽高度角均采用0°,因為此時接受太陽輻射面積最大,導(dǎo)致的溫度誤差相對較大,便于對比驗證。

圖14 不同輻射強(qiáng)度導(dǎo)致輻射升溫的仿真值和實驗結(jié)果對比

圖14中展示了3種不同輻射強(qiáng)度800 W/m2、600 W/m2和400 W/m2的溫度誤差仿真值和實驗結(jié)果的對比,三組曲線其測量值與仿真值相比較差別較小,其最高溫度誤差絕對值分別為0.2 K,0.26 K和0.3 K,其比例分別為2.19%、4%和7.5%。圖15給出了兩種不同氣流速度下的對比,兩組曲線最大溫度誤差差別分別為0.3 K,0.26 K,其比例為3.1%和2.85%。分別采用兩種不同的防護(hù)罩模型,仿真數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果如圖16所示,其最大溫度誤差差別分別為0.3 K和0.25 K,其比例為3.8%和3.5%。

圖15 不同流速下溫度誤差的仿真值和實驗結(jié)果的對比

圖16 不同防護(hù)罩下輻射升溫的仿真值和實驗結(jié)果的對比

由圖14～圖16可以看出,相同條件下的溫度誤差仿真值和實驗結(jié)果吻合度較高,通過具體分析可以發(fā)現(xiàn),仿真值和實驗結(jié)果之間的最大溫度誤差為0.3 K,兩者之間的相對誤差最大為7.5%。由此可見,仿真值與實驗結(jié)果一致性較好,從而證明了采用CFD仿真溫度誤差方法的可行,也從側(cè)面印證了低空環(huán)境模擬結(jié)果的可靠性,因此下文將采用該方法對探空濕度測量的太陽輻射偏干誤差進(jìn)行研究。

上文以濕度傳感器HC103M2為例,建立了其探空濕度測量模型,采用Fluent仿真了太陽輻射對濕度傳感器上的溫升情況,并用實驗驗證了該方法準(zhǔn)確可靠。下面以2010年在我國陽江舉行的國際探空儀比對數(shù)據(jù)為例,采用CFD仿真方法對濕度廓線進(jìn)行太陽輻射誤差修正。以參加比對試驗中的韓國RSG-20A探空儀作為研究對象,其采用HC103M2型濕度傳感器,并帶有防護(hù)罩Ⅰ,選擇一次飛行記錄,放飛時間為2010年7月30號14:53,全程歷經(jīng)約80 min。由放飛時間算出太陽高度角大約為47.83°,然后根據(jù)式(3)～式(9)計算出各個海拔高度的太陽輻射強(qiáng)度,作為Fluent的設(shè)置依據(jù),仿真中需要的溫度、氣壓、探空儀上升速度等均由該次飛行報告提供的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。通過模擬仿真太陽輻射引起的溫度誤差,再由溫度誤差推導(dǎo)出濕度測量的相對誤差,對報告中的濕度廓線進(jìn)行修正,如圖17所示。由圖可以看出,濕度相對誤差總體趨勢是隨著海拔的升高而增大,主要是高空空氣稀薄導(dǎo)致散熱較差引起的。從圖17(b)修正前后的濕度廓線可以看出,低空雖然濕度較大,但是由于相對誤差較小,所以絕對誤差也較小,修正前后的曲線幾乎重合;而高空雖然相對濕度較小,但由于相對誤差較大導(dǎo)致絕對誤差也較大,此外,在14 km附近,絕對誤差最大。

圖17 濕度修正

5 結(jié)論

本文建立了探空濕度測量系統(tǒng)模型,采用Fluent模擬仿真高空環(huán)境,研究了太陽輻射強(qiáng)度、氣流流速、太陽高度角和防護(hù)罩等對濕度測量太陽輻射偏干誤差的影響。為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,設(shè)計硬件電路并搭建了實驗測試平臺,對CFD數(shù)值仿真和實驗結(jié)果進(jìn)行了對比驗證,得到以下結(jié)論:

①通過實驗對不同太陽輻射強(qiáng)度、不同流速以及不同防護(hù)罩導(dǎo)致的溫度誤差與仿真值進(jìn)行對比驗證,結(jié)果表明仿真結(jié)果與實驗值一致性較高,從而證明了采用CFD方法研究太陽輻射誤差的可行性。

②研究不同條件對太陽輻射誤差的影響表明,太陽輻射強(qiáng)度越大,溫度誤差越大;氣流流速越大,溫度誤差越小,如在32 km處,氣流速度每升高 1 m/s,溫度誤差降低約0.6 K?？紤]到安全性問題,探空儀施放速度一般選取6 m/s或7 m/s。

③為了防雨所采用的防護(hù)罩阻礙了氣流的流通,導(dǎo)致散熱變慢,因此由太陽輻射引起的罩內(nèi)溫度誤差即濕度傳感器上溫度與外部環(huán)境的實際溫度差非常明顯,尤其在高空,如32 km處,溫度絕對誤差達(dá)到 13 K,由此引起的相對濕度的相對誤差達(dá)到70%。

④以韓國RSG-20A的濕度測量系統(tǒng)為模型,同時以陽江比對中的一次探空數(shù)據(jù)記錄作為仿真條件,采用CFD方法對濕度廓線進(jìn)行太陽輻射誤差修正。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出,濕度的相對誤差隨海拔升高而增加,濕度的絕對誤差總體是高空大于低空。

本文詳細(xì)研究了兩種實際應(yīng)用中的防護(hù)罩對太陽輻射誤差影響,并通過實驗驗證了流體動力學(xué)方法的可靠性,后續(xù)工作有望在此基礎(chǔ)上,利用CFD方法研究防護(hù)罩形狀、尺寸、材料等對太陽輻射誤差的影響,從而為防護(hù)罩的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。