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单屏温度传感器内部流场数值模拟研究
作者：李海燕，王毅，荆卓寅
来源：RFID世界网
日期：2010-05-14 08:50:23
摘要：单屏温度传感器普遍应用于航空航天领域中的气流温度测量，本文对单屏温度传感器的内部流场进行了数值模拟研究，获得了单屏温度传感器内部的速度分布、温度分布以及压力分布等参数， 为该型传感器的结构设计和使用提供了理论支持。
引言
在航空航天领域中，气流温度测量作为航空发动机设计、试验以及使用过程中最重要的参数之一，引起了人们极大的兴趣和重视。单屏温度传感器被普遍用来减小测量气流温度时的误差。本文之所以选择单屏温度传感器作为研究对象，是出于以下几个原因：第一，单屏温度传感器相比于其他结构的传感器应用更广泛，因而课题更具有普遍意义和实用价值；第二， 对单屏温度传感器进行数值模拟具有一定的代表性，从该结果可以类推以及预测其它类型传感器内部流场的状况。
目前国内通行的做法是在校准风洞上对传感器进行校准，但是试验费用昂贵以及无法完全模拟使用情况(如超高温、高压等)是试验方法的主要缺陷，而且试验只能在传感器设计制作完成后进行，使得研制周期长、费用高。本课题针对单屏温度传感器，采用数值模拟的方法对内部流场进行研究，为此类传感器的设计、使用以及改进提供理论基础， 旨在缩短该类型传感器的研制周期，减少研制费用。
1 数值模拟方法
1．1 基本方程与模型
CFD算法为时问推进的有限体积方法，控制方程选用一般曲线坐标系下的动量守恒形式的N—S方程，为提高收敛速度和求解精度，离散选项中流动格式选用耦合隐式稳态的二阶迎风格式，离散湍流动量和湍流耗散率均采用Quick格式。湍流模型选用广泛使用的重组化群(RNG)K一 二方程模型。
1．2 计算网格
本文的数值模拟研究对象是单屏温度传感器的头部进气流的位置，使用数值模拟的方法对单屏温度传感器内部流场进行理论研究。图1为单屏温度传感器示意图。由于该计算区域的结构复杂，采用了适应性较强的非结构化四面体网格划分技术。图2为本文计算所用的网格图，其中靠近左端倒置的“U” 型结构是传感器中偶丝所处位置，同时对靠近传感器壁面附近的区域进行了网格加密。整个传感器头部的网格节点总数约为11．5万个，单元总数约为61．5万个。
1．3 流动条件和边界条件
在本文的研究中，基准模型具体结构尺寸及工作参数由文献[3]给出，选择某型单屏温度传感器作为研究对象。经过简化，本文计算的是一个在进出口边界条件下的腔内气流扰流问题。数值模拟的物理外形主要部分为一个圆柱体，如图1所示，在圆柱体上右端紧挨的两处为气流压力进口，左端的为气流压力出口。本文假定载体气体为空气，初始状态进口总压P = 104338 Pa，总温T =300 K，气流马赫数为Ma：0．2，空气的绝热指数k=1．4，进口截面积A=25．12 X 10m ，试验时的大气压强P =0．98×10 Pa。根据实验和经验，压力入口处的压力取为总压，而压力出口处的压力取为静压。物面为无滑移边界条件，壁面温度假定为常数H J。通过大量试验可知，影响单屏温度传感器内流场的主要因素之一是压力入口的马赫数。本文的主要研究内容是改变人口气流的马赫数为Ma=0．4和0．6，观察改变马赫数后对单屏温度传感器内部流场的影响。
2 计算结果及分析
根据常用的数值模拟计算结果表达方式，本文通过对速度场、温度场、压力场的描述来对单屏温度传感器内部流场的情况进行分析。首先，准确知道内流速度的目的是确定屏内气流的流动状态，为修正外屏温度和求解偶丝温度分布做准备。求解内流速度的传热学基础是连续性方程，得到的单屏温度传感器头部速度数值模拟计算结果如图3所示(对图形做了透明处理)。为了便于分析内部流场情况，选择传感器中心位置处的一个截面作为研究对象，利用上面1．3的计算条件，可以得出如图4所示的各马赫数下速度大小的云图。从图中可以看出，随着马赫数的增大，传感器内部流场速度增大，尤其是传感器流道中心位置处较为明显。选择传感器头部几个较为直观的位置进行气流速度的观察。可看出，在Ma：0．2时，偶丝附近区域的平均速度大小为25 m／s，流道中心位置处速度为82 rn／s；Ma= 0．4时，偶丝附近区域速度大小为38 m／s，流道中心位置速度120 rn／s；Ma=0．6时偶丝附近区域速度大小为75 m／s，流道中心位置速度162 m／s。气流马赫数越大，流速越大，从而增强了对流换热，因此单屏温度传感器测温的辐射误差和导热误差都将减小。
通过上面的内容可以看出，本文主要采用数值模拟的方式对单屏温度传感器的内部流场进行计算分析。可得出如下结论：
1)从数值模拟计算结果可看出单屏温度传感器内部的速度分布、温度分布以及压力分布等参数，为该型传感器的结构设计和使用提供了理论支持。
2)随着气流马赫数的增加，气流流动速度逐渐变大，从而分析得出在传感器中对流换热逐渐增强，对流换热系数逐渐变大，换热量也随之增加，导致测温偏差变小，测温的辐射误差和导热误差也随之减小，这比较符合同时也验证了温度传感器的传热学规律。
在航空航天领域中，气流温度测量作为航空发动机设计、试验以及使用过程中最重要的参数之一，引起了人们极大的兴趣和重视。单屏温度传感器被普遍用来减小测量气流温度时的误差。本文之所以选择单屏温度传感器作为研究对象，是出于以下几个原因：第一，单屏温度传感器相比于其他结构的传感器应用更广泛，因而课题更具有普遍意义和实用价值；第二， 对单屏温度传感器进行数值模拟具有一定的代表性，从该结果可以类推以及预测其它类型传感器内部流场的状况。
目前国内通行的做法是在校准风洞上对传感器进行校准，但是试验费用昂贵以及无法完全模拟使用情况(如超高温、高压等)是试验方法的主要缺陷，而且试验只能在传感器设计制作完成后进行，使得研制周期长、费用高。本课题针对单屏温度传感器，采用数值模拟的方法对内部流场进行研究，为此类传感器的设计、使用以及改进提供理论基础， 旨在缩短该类型传感器的研制周期，减少研制费用。
1 数值模拟方法
1．1 基本方程与模型
CFD算法为时问推进的有限体积方法，控制方程选用一般曲线坐标系下的动量守恒形式的N—S方程，为提高收敛速度和求解精度，离散选项中流动格式选用耦合隐式稳态的二阶迎风格式，离散湍流动量和湍流耗散率均采用Quick格式。湍流模型选用广泛使用的重组化群(RNG)K一 二方程模型。
1．2 计算网格
本文的数值模拟研究对象是单屏温度传感器的头部进气流的位置，使用数值模拟的方法对单屏温度传感器内部流场进行理论研究。图1为单屏温度传感器示意图。由于该计算区域的结构复杂，采用了适应性较强的非结构化四面体网格划分技术。图2为本文计算所用的网格图，其中靠近左端倒置的“U” 型结构是传感器中偶丝所处位置，同时对靠近传感器壁面附近的区域进行了网格加密。整个传感器头部的网格节点总数约为11．5万个，单元总数约为61．5万个。
图l 单屏温度传感器示意图
图2 计算域和网格划分
1．3 流动条件和边界条件
在本文的研究中，基准模型具体结构尺寸及工作参数由文献[3]给出，选择某型单屏温度传感器作为研究对象。经过简化，本文计算的是一个在进出口边界条件下的腔内气流扰流问题。数值模拟的物理外形主要部分为一个圆柱体，如图1所示，在圆柱体上右端紧挨的两处为气流压力进口，左端的为气流压力出口。本文假定载体气体为空气，初始状态进口总压P = 104338 Pa，总温T =300 K，气流马赫数为Ma：0．2，空气的绝热指数k=1．4，进口截面积A=25．12 X 10m ，试验时的大气压强P =0．98×10 Pa。根据实验和经验，压力入口处的压力取为总压，而压力出口处的压力取为静压。物面为无滑移边界条件，壁面温度假定为常数H J。通过大量试验可知，影响单屏温度传感器内流场的主要因素之一是压力入口的马赫数。本文的主要研究内容是改变人口气流的马赫数为Ma=0．4和0．6，观察改变马赫数后对单屏温度传感器内部流场的影响。
2 计算结果及分析
根据常用的数值模拟计算结果表达方式，本文通过对速度场、温度场、压力场的描述来对单屏温度传感器内部流场的情况进行分析。首先，准确知道内流速度的目的是确定屏内气流的流动状态，为修正外屏温度和求解偶丝温度分布做准备。求解内流速度的传热学基础是连续性方程，得到的单屏温度传感器头部速度数值模拟计算结果如图3所示(对图形做了透明处理)。为了便于分析内部流场情况，选择传感器中心位置处的一个截面作为研究对象，利用上面1．3的计算条件，可以得出如图4所示的各马赫数下速度大小的云图。从图中可以看出，随着马赫数的增大，传感器内部流场速度增大，尤其是传感器流道中心位置处较为明显。选择传感器头部几个较为直观的位置进行气流速度的观察。可看出，在Ma：0．2时，偶丝附近区域的平均速度大小为25 m／s，流道中心位置处速度为82 rn／s；Ma= 0．4时，偶丝附近区域速度大小为38 m／s，流道中心位置速度120 rn／s；Ma=0．6时偶丝附近区域速度大小为75 m／s，流道中心位置速度162 m／s。气流马赫数越大，流速越大，从而增强了对流换热，因此单屏温度传感器测温的辐射误差和导热误差都将减小。
图3 温度传感器速度流场图
图5 温度线图
图6 等压线图
通过上面的内容可以看出，本文主要采用数值模拟的方式对单屏温度传感器的内部流场进行计算分析。可得出如下结论：
1)从数值模拟计算结果可看出单屏温度传感器内部的速度分布、温度分布以及压力分布等参数，为该型传感器的结构设计和使用提供了理论支持。
2)随着气流马赫数的增加，气流流动速度逐渐变大，从而分析得出在传感器中对流换热逐渐增强，对流换热系数逐渐变大，换热量也随之增加，导致测温偏差变小，测温的辐射误差和导热误差也随之减小，这比较符合同时也验证了温度传感器的传热学规律。
