防雨帽對探空儀濕度測量影響的CFD研究*

冒曉莉, 張加宏, 李 敏, 馬 濤, 楊 杰, 戴 偉

(1.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 電子與信息工程學院,江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學 大氣物理學院,江蘇 南京 210044;4.中國科學院 紫金山天文臺,江蘇 南京 210008)

防雨帽對探空儀濕度測量影響的CFD研究*

冒曉莉1,2,3, 張加宏1,2, 李 敏1,2, 馬 濤4, 楊 杰2,3, 戴 偉2,3

(1.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 電子與信息工程學院,江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學 大氣物理學院,江蘇 南京 210044;4.中國科學院 紫金山天文臺,江蘇 南京 210008)

采用流體動力學方法研究了GL—5000P探空儀濕度傳感器的防雨帽對濕度測量的影響。運用Pro/E對濕度測量系統結構進行建模,使用前處理軟件ICEM對其進行網格劃分,導入Fluent軟件進行穩態和瞬態計算分析。模擬結果表明：GL—5000P防雨帽很好地防止了高空云雨滴對濕度傳感器的影響,其兼具一定的防太陽輻射功能,但高空25 km以上防輻射能力減弱,甚至起相反作用；防雨帽厚度對太陽輻射誤差影響較小,而其反射率影響則較顯著；瞬態分析揭示了傳感器表面的濕度場分布產生了時間滯后,且時間滯后常數隨海拔高度的升高而增加,到27 km達到0.42 s。該研究為濕度垂直廓線的時間滯后修正提供了理論依據。

防雨帽； 濕度傳感器； 太陽輻射； 響應時間； 計算流體動力學

0 引 言

高空氣象要素的準確測量對短期天氣預報和中長期氣候預估均具有重要意義[1]。高空氣象要素的測量最早出現的是無線探空儀,后來發展較為先進的飛機、衛星遙感等方法。但是無線探空儀以其價格便宜、操作方便等優勢,一直作為探空的主要技術手段。同時,無線探空儀的直接測量數據也常常作為遙感探測反演數據的標準[2]。目前,我國高空氣象要素的常規測量主要是采用無線探空儀,測量要素中溫度、氣壓、風速風向等測量均已達到較高精度,而由于傳感器本身和定標操作、太陽輻射等諸多原因,濕度廓線的測量精度相對較低[3,4]。而垂直濕度廓線對于短期預報是否有降水,以及降水量的多少尤為重要,所以,研究探空儀濕度測量的誤差以提高濕度垂直廓線的測量精度非常重要。

為了能夠直接與空氣接觸,溫度傳感器一般是完全暴露在空氣中,由于太陽輻射的照射導致溫度傳感器輸出值產生太陽輻射正偏差[5,6]。高空雨水對濕度測量影響較大,濕度傳感器上面一般安裝有防雨帽。但防雨帽在太陽輻射下內部的溫度場將升高,導致濕度傳感器周圍空氣溫度升高,飽和水汽壓隨之下降,從而導致濕度傳感器輸出的相對濕度(relative humidity,RH)值升高,即太陽輻射對濕度測量也產生正偏差[5,6]。值得注意的是,防雨帽一般為倒扣圓筒形狀,這在一定程度上阻礙了濕度傳感器與空氣直接接觸,影響了濕度傳感器上的通風量,使得濕度傳感器與空氣的接觸產生了時間延遲,這個延遲時間影響了濕度垂直廓線的準確測量。針對上述問題,為了進一步提高探空濕度測量的精度,本文采用流體動力學方法研究了防雨帽對濕度測量太陽輻射誤差的影響,同時模擬了濕度傳感器在防雨帽下響應環境濕度的響應時間,相關研究為濕度垂直廓線的精確修正提供了一定的理論依據。

1 模型與計算方法

1.1 防雨帽模型

圖1為韓國Jinyang公司的GL—5000P型探空儀溫濕度傳感器。如圖1(a)所示,上方為珠狀溫度傳感器,下方為帶防雨帽的濕度測量結構,濕度傳感器采用E+E公司的電容式濕度傳感器HC103M2,具體見圖1(b)。帶有防雨帽結構的探空儀還有很多,例如：我國上海長望氣象科技有限公司生產的GTS1型數字探空儀,參加2010陽江比對的非洲InterMet公司的iMet—2型探空儀,Modem公司的M2K2DC型探空儀,德國Graw公司的DFM—09型探空儀等[7],這些探空儀在濕度傳感器的上方均罩有一個防雨帽,雖然各自的形狀和大小不盡相同,但以倒扣的圓筒形為主。本文以Jinyang典型的倒扣圓筒形防雨帽結構作為具體的建模研究對象。

圖1 Jinyang公司GL—5000P型探空儀溫濕度傳感器Fig 1 Temperature and humidity sensor of GL—5000P radiosonde of Jinyang corporation

1.2 計算理論和方法

采用計算流體動力學方法研究探空濕度測量系統相關參數的具體步驟包括：首先采用Pro/E進行建模,然后采用Ansys軟件包中的前處理軟件ICEM進行網格劃分,最后導入國際主流的計算流體動力學(CFD)軟件Ansys Fluent中進行穩態和瞬態數值模擬,獲取溫度場、濕度場以及風場等信息參數進行分析處理。

以Jinyang的GL—5000P型探空濕度測量系統(見圖1)為研究對象,采用流體動力學軟件模擬其濕度傳感器上溫度場和濕度場分布。HC103M2電容式濕度傳感器采用玻璃作為其襯底,采用Pro/E建立的濕度測量系統結構模型如圖2(a)所示,然后采用前處理軟件ICEM對模型進行網格劃分,網格劃分的局部截面如圖2(b)所示。網格劃分采用適應性較強的非結構化四面體網格,在權衡了計算規模和計算精度的前提下,采用局部加密的方法,由圖2(b)中可以看出傳感器與防雨帽的加密網格。最后將ICEM劃分網格后形成的MESH文件導入Fluent分別進行穩態和瞬態的數值模擬。

圖2 GL—5000P型探空儀濕度測量系統Fig 2 Humidity measurement system of GL—5000P radiosonde

2 仿真與討論

2.1 防輻射效果

高空濕度測量除雨水影響,還有常常被忽略的太陽輻射影響[8],帶有防雨帽的濕度傳感器雖然不暴露在太陽輻射直接照射下,但太陽輻射對濕度測量的影響是否可完全消除需要具體研究。本文采用Fluent仿真軟件建立探空儀GL—5000P濕度測量系統的穩態傳熱模型,對其施加外部復雜對流—太陽輻射耦合熱邊界條件,進行流固耦合傳熱分析。通過Fluent仿真分析,研究不同條件下傳感器襯底上的溫度場分布,求解太陽輻射加熱引起襯底的溫度變化,再通過公式推導傳感器測量濕度引起的相對濕度RH的相對誤差[8]。

圖3給出了防雨帽的防輻射效果。為了研究防雨帽的防輻射效果,將GL—5000P的防雨帽去掉,讓濕度傳感器完全暴露在空氣中,比較兩者在同樣的太陽輻射條件下引起的溫度誤差和濕度的相對誤差。由圖3(a)可以看出,在海拔25 km以下,GL—5000P的防雨帽起到一定的防輻射效果,但是25 km以上,太陽輻射引起的誤差反而比不帶防雨帽的時候大。產生這種現象的原因可能是因為防雨帽倒扣形狀影響了空氣的流通量,高空空氣稀薄,流通量不暢更為明顯,導致防雨帽不僅起不到防輻射效果,相反導致太陽輻射誤差增大。

為了比較不同防雨帽的防輻射效果,圖3給出了探空儀GL—5000P和GTS1的濕度測量的太陽輻射誤差。以南京探空站2014年9月6日的探空儀GTS1探測的氣壓、溫度等數據作為邊界條件,分別模擬了GL—5000P和GTS1在同樣的太陽輻射條件下引起的誤差變化。由圖3不難看出,GTS1的防輻射效果明顯優于GL—5000P,尤其在高空。太陽輻射引起的濕度傳感器襯底上溫度誤差兩者之間最大相差9 ℃,引起的RH相對誤差兩者最大相差20 %。產生這種現象的原因是GTS1采用方形的防雨帽,上方設計了氣體導流入口,側面設置了氣體導流出口,與GL—5000P的防雨帽相比GTS1的空氣流通性較好,而通風量較好則易帶走襯底上的熱量,所以,防輻射的效果GTS1更優。

圖3 防雨帽的防輻射效果Fig 3 Anti-radiation effect of rain shield

由以上分析可知,探空儀GL—5000P的防雨帽在一定程度上降低了太陽輻射誤差,而防雨帽的厚度與反射率等參數是否會對太陽輻射誤差產生影響,從優化設計的角度出發,本文進一步采用流體動力學方法研究了這兩個參數對太陽輻射誤差的影響。圖4反映了防雨帽厚度對太陽輻射誤差的影響,由圖不難發現,無論是溫度誤差還是濕度的相對誤差,低海拔時兩條曲線均基本重合；而高空,在0.5 mm厚的防雨帽作用下太陽輻射引起的誤差較0.3 mm的小,這是由于厚度較大散熱面較大,故防雨帽內由太陽輻射引起的溫升較小,總體來說,防雨帽厚度對太陽輻射引起的誤差影響較小。除厚度外,反射率也是防雨帽的一項重要參數,將防雨帽厚度統一設置為0.5 mm,模擬不同反射率下的太陽輻射誤差,如圖5所示,防雨帽反射率對太陽輻射誤差影響顯著。反射率越低,即吸收率越高,防雨帽內外的溫度差就越大,由此引起的濕度測量值的相對誤差越大。由以上分析可知,在設計防雨帽時,除了防雨帽的形狀對太陽輻射誤差有較大影響之外,防雨帽的反射率影響也不可忽視,盡量選擇高反射率的材料或者在防雨帽上涂上高反射率膜,這樣可有效地減小太陽輻射誤差影響,從而提高濕度測量精度。

圖4 防雨帽的厚度對太陽輻射誤差的影響Fig 4 Influence of rain shield thickness on solar radiation error

圖5 防雨帽的反射率對太陽輻射誤差的影響Fig 5 Influence of rain shield reflectance on solar radiation error

2.2 防雨效果

實際上防雨帽的主要任務是防雨,濕度值出現嚴重偏濕會直接導致測量失敗。高空主要是云滴和雨滴對濕度測量產生影響,根據計算可得無論是雨滴還是云滴下體積率均小于10 %,符合離散相計算條件。首先進行穩態計算,然后在氣流入口上方設置云雨滴面源,通過Fluent模擬仿真典型云滴和典型雨滴的運動軌跡。從傳感器的捕捉數據來看,對典型云雨滴的捕捉個數均為0,說明防雨帽能夠很好地防止高空中云雨滴對濕度傳感器的影響。

2.3 時間滯后效應

防雨帽的存在影響了濕度傳感器上的通風量,外界氣流不能直接流經傳感器,而是通過氣流的湍流作用卷進防雨帽內部,這勢必造成濕度傳感器輸出的濕度值產生一定的時間延遲。為研究該問題,采用Fluent對GL—5000P模型進行瞬態模擬,分析濕度傳感器上水汽質量分數的瞬態分布。結合一階函數的傳遞函數,對濕度傳感器表面的水汽質量分數隨時間變化的數據采用公式擬合

MF(t)=MF(∞)+(MF(0)-MF(∞))e-t/τ.

(1)

其中,MF表示濕度傳感器表面的水汽質量分數,τ為防雨帽產生的時間滯后常數。近地面時間滯后常數τ為0.136 s,上升時間(定義為上升階梯90 %的時間)為0.315 s。

圖6給出了時間滯后常數和上升時間隨海拔高度變化的關系。由圖6可看出,隨海拔高度升高,時間滯后常數和上升時間均逐漸非線性變大,這是因為高空空氣稀薄,氣壓較低,空氣不易卷進防雨帽所致。海拔27 km處,時間滯后常數達到0.43 s,上升時間達到0.99 s。上述研究為濕度垂直廓線的精確修正提供了一定的理論依據。值得指出的是,雖然高空較低的溫度引起濕度傳感器本身的響應時間升高達到十幾秒,但是從提高濕度垂直廓線的精確測量角度,仍可將本文提出的時間滯后常數作為其修正因子來提高探空濕度測量的準確性。

圖6 防雨帽氣流的響應時間隨海拔高度的關系Fig 6 Relationship between response time of airflow of rain shield and altitude

3 結 論

1)濕度傳感器的防雨帽起到一定的防輻射作用。

2)防雨帽厚度對太陽輻射誤差影響較??；防雨帽的反

射率對太陽輻射誤差影響較顯著,反射率越小,太陽輻射誤差越大,在海拔32 km處防雨帽反射率70 %的情況下太陽輻射引起的RH的相對誤差高達70 %。

3)防雨帽對典型云雨滴起到很好的保護作用,在垂直氣流下,濕度傳感器表面不會捕捉到云雨滴,即高空云雨滴對濕度傳感器無影響。

4)由于防雨帽阻礙空氣流通,濕度傳感器表面的感濕時間產生延遲,時間滯后常數和上升時間均隨海拔升高而增大,海拔27 km處分別達到0.42 s和0.99 s。

[1] 張利紅,何光碧.GRAPES_Meso模式對2011年夏季青藏高原東部及周邊區域的預報檢驗[J].高原氣象,2014,33(1):14-25．

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Research on influence of rain shield on humidity measurements of radiosonde based on CFD*

MAO Xiao-li1,2,3, ZHANG Jia-hong1,2, LI Min1,2, MA Tao4, YANG Jie2,3, DAI Wei2,3

(1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China；2.School of Electronic & Information Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;3.School of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China;4.Purple Mountain Observatory Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China)

Influences of rain shield for GL—5000P radiosonde humidity sensor on humidity measurements is researched by using computational fluid dynamics(CFD) method.The humidity measurement system structure is modeling by Pro/E software,and it is meshed with ICEM pre-processing software.Fluent software is introduced for steady-state and transient calculation and analysis.The simulation results show that the rain shield effectively prevents the effects of high-altitude clouds and rain on humidity sensor; rain shield combines certain features of anti-solar radiation,but its ability of anti-solar radiation is significantly weakened at high altitude (over 25 km),and even it plays the opposite role; thickness of rain shield has less impact on solar radiation error,however,impact of its reflectance seems more significant;transient analysis reveals that humidity field distribution of sensor surface produces time lag,and time lag constant increases with increasing altitude,and it reaches 0.42 s at 27 km.This research provides theoretical basis for time lag correction of humidity vertical profiles.

rain shield; humidity sensor; solar radiation; response time; computational fluid dynamics(CFD)

10.13873/J.1000—9787(2015)12—0039—04

2015—10—08

國家自然科學基金資助項目(61306138)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK2012460)；東南大學MEMS教育部重點實驗室開放研究基金資助項目(2013—3)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

TN 302

: A

: 1000—9787(2015)12—0039—04

冒曉莉(1977-),女,江蘇如東人,博士研究生,主要從事光電傳感材料性能表征和信號處理方面的研究工作。