一種溫控靜壓頭裝置的優化設計

楊天民，謝曉璐，張加宏，b，冒曉莉，王 銀，周炳宇

（南京信息工程大學a.電子與信息工程學院；b.江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京 210044）

0 引言

氣壓是氣象觀測的要素之一，是分析天氣系統的重要因子，氣壓測量精度影響著天氣預報與氣象預警的準確性［1-2］。而在近地面自然風影響所帶來的氣壓擾動會導致氣壓傳感器測量產生偏差，降低傳感器的測量精度；同時，近地面中低空中的不利環境（雨、灰塵、水汽凍結）均可能影響氣壓測量結果。因此，研究一款能夠防雨防積冰、削弱自然風壓功能的靜壓頭裝置，具有重要的實際意義和工程價值。為精確測量大氣邊界層中靜態壓力的微小波動，Nishiyama等［3］首先提出了一種四片式“QuadDisc”靜壓頭設計方案，并通過風洞實驗證明了該裝置的可行性。隨后，芬蘭維薩拉公司推出了基于Nishiyama 設計方案的靜壓頭裝置SPH10，最大限度地減少因強風和陣風引起的氣壓測量誤差［4］。配備有防雨水和防結冰裝置，維薩拉公司推出的SPH20 靜壓頭保證了在任何環境下氣壓測量準確性和可靠性［5］。國內相關的研究報道較少，劉篤喜等［6］對用于飛機氣壓測量的靜壓管進行CFD 建模仿真，采用正交實驗方法對靜壓管的結構參數進行仿真與優化設計，并根據優化后參數加工實物，進行風洞實驗，最終驗證了靜壓效果的可靠性。

本文優化設計了一種帶溫度控制功能的靜壓頭裝置。首先，通過Fluent 仿真探討了不同結構參數對靜壓效果的影響，并根據仿真數據對靜壓頭結構參數進行優化設計。然后加工制作了靜壓頭實物并進行風速風向實驗，實驗結果與模擬仿真結果吻合，驗證了靜壓頭裝置具有優良的靜壓特性。最后，考慮到近地面中低空環境溫度較低時，雨水凍結形成的冰柱可能導致靜壓頭裝置進氣口阻塞，從而影響靜壓效果，本文設計了溫度控制系統，并通過溫控實驗證明其可行性，能夠保證靜壓頭裝置正常工作。

1 靜壓頭模型與仿真

1.1 系統模型設計與CFD流程

本文設計的一種帶溫度控制系統的靜壓頭裝置示意圖如圖1 所示。整個測量系統由靜壓頭、壓力傳感器和溫度控制系統組成。氣壓和自然風引起的氣流通過進氣口進入靜壓頭，上導管出氣口通過導氣管連接氣壓傳感器。結合靜壓頭下導管，溫度控制系統主要用于防止靜壓頭進氣口受雨水或水汽冷凝結冰導致的堵塞情況的發生。

靜壓頭裝置模擬仿真利用計算流體動力學（CFD）軟件實現，圖2 給出其仿真流程圖。設置靜壓頭結構參數，通過Pro／E軟件對靜壓頭進行三維實體建模［7］，進行ICEM網格劃分。將網格文件導入Ansys Fluent中進行風速場與氣壓場仿真模擬。通過后處理提取靜壓頭導管口風速和氣壓仿真數據，并與實驗數據進行對比分析。

圖1 基于靜壓頭裝置的氣壓測量系統示意圖

圖2 基于CFD的靜壓頭裝置仿真流程圖

1.2 幾何建模及網格劃分

以靜壓頭的圓盤半徑r和圓盤高度h作為結構參數變量，采用Pro／E 建立靜壓頭計算模型。r 設定為60，80，100，120 mm；h為23.5，27.5，31.5 mm；靜壓頭導管內外徑分別為16 和22 mm，靜壓頭上部分導管長144 mm，下部分導管長120 mm；靜壓頭上下圓盤間距3 mm，作為氣壓和自然風輸入口。靜壓頭上導管口為氣壓輸出口，通過導氣管與氣壓傳感器連接。在靜壓頭裝置外部建立體積為其50 倍的柱形空氣域模型，用于分析靜壓頭在大氣中的壓力分布情況。整個靜壓頭裝置的結構計算模型如圖3（a）所示。Pro／E 生成的靜壓頭模型需要經過前處理軟件ICEM 網格劃分，才能進行Fluent仿真。網格劃分的好壞直接決定了模擬仿真的計算精度［8-9］，權衡計算量和計算精度，本文采用非結構化四面體網格，可使靜壓頭裝置在流體域中擁有更好的適應性。圖3（b）是網格劃分后的效果圖。

圖3 幾何建模和網格劃分效果圖

1.3 Fluent仿真及后處理

Fluent仿真計算可靠性強、精度高，在工業設計、航空航天等領域應用廣泛［10］。本文選擇湍流模型中的標準k-e模型作為仿真模型，仿真速度與壓力耦合方法采用SIMPLE算法［11］，設置迭代次數為400，實際仿真中在170 步左右即可實現收斂。為獲得仿真云圖和數據，還需要對仿真結果進行CFD-POST 后處理［12］。

2 CFD仿真結果及分析

2.1 CFD風速仿真

根據維薩拉公司SPH10 靜壓頭的設計經驗［4-5］，首先選擇r ＝100 mm，h ＝27.5 mm，海拔高度H ＝0 km為模型結構參數，進行不同風速下靜壓頭裝置的CFD模擬仿真。仿真對比云圖由圖4 給出，其中設定自然風沿水平方向從左側進入靜壓頭進氣口。

圖4 不同風速下靜壓頭仿真云圖

由圖4（a）不難發現，不同大小的自然風在靜壓頭外部均形成了明顯風速，但進入到靜壓頭內部時風速迅速減小。以5 m／s風速為例，靜壓頭進氣口與自然風接觸面處的風速在1.479～2.218 m／s，而靜壓頭內部風速在0～0.739 m／s，20和40 m／s風速下的情況類似，自然風通過靜壓頭圓盤后風速均已顯著衰減，在靜壓頭導管內基本無風速。從圖4（b）可知，自然風力在靜壓頭進氣口處產生了較為明顯的壓力干擾。例如，當自然風速為5m／s時，靜壓頭進氣口處氣壓值相比外界待測氣壓有近1 個數量級的改變，但由于靜壓頭裝置的靜壓效果，靜壓頭導管內部氣壓與外界待測氣壓基本一致。20、40 m／s 風速下的情況類似，雖然在進氣口處產生了更加明顯的壓力干擾，但是靜壓頭導管內部氣壓值穩定，基本沒有氣壓波動，且與外界待測氣壓基本一致。上述CFD仿真結果表明，初步設計的靜壓頭裝置可為氣壓測量提供較好的靜壓效果，基本屏蔽風速效應所帶來的壓力測量誤差，已經具有實際應用價值。

2.2 結構參數優化

本文將靜壓頭圓盤進氣口和上導管出氣口（連接氣壓傳感器處）兩處的氣壓差Δp 作為靜壓效果的衡量參數，Δp越小，表明靜壓效果越好；反之，亦然。為了研究靜壓頭結構參數對靜壓效果的影響，對r 和h進行系統的CFD仿真。設定海拔高度H為0 km，h分別取23.5，27.5，31.5 mm，r 分別取60，80，100，120 mm。CFD 仿真的h 與r 對靜壓效果的影響如圖5所示。

圖5 圓盤高度、圓盤半徑與導管口氣壓差的關系曲線

由圖5（a）～（c）可以看出，隨著風速不斷增大，Δp整體呈現出比較明顯的非線性增長趨勢，對應的靜壓效果減弱，這與文獻［13］結論吻合，說明靜壓頭裝置在屏蔽高速風力干擾方面仍有一定的局限性。從圖5（a）～（c）還不難看出，當r 為80 mm 時，Δp 增長趨勢相對于其他情況更為平穩，其整體氣壓差曲線數值小于其他情況，揭示了80 mm可以作為圓盤半徑參數的最優解。為了更好地說明這一點，以40 m／s風速時靜壓效果最差的情況為例，由圖5（d）可以發現，當h＝27.5 mm時，取不同圓盤半徑時，其氣壓差均為最小或中位數。值得注意的是，當圓盤半徑為80 mm 時，不同h條件下的整體最大氣壓差遠小于其他組，且當h為27.5 mm時，最大氣壓差僅為5.86 Pa。根據以上CFD模擬仿真結果，本文選擇r ＝80 mm，h ＝27.5 mm作為最終結構參數制作靜壓頭，其擁有最優的靜壓效果。

2.3 其他因素仿真

考慮到靜壓頭裝置的適用場景是2 km 以內的近地面中低空，本文研究了海拔高度對靜壓效果的影響。選用最優結構參數（r ＝80 mm，h ＝27.5 mm）建模，改變海拔高度（CFD 仿真過程中通過修改空氣密度實現）觀察靜壓效果。由圖6 可知，在風速30 m／s以內，各海拔高度下風速引起的氣壓差基本一致，最大偏差在1 Pa以內。當風速大于30 m／s 時，各海拔高度下的氣壓差變化無明顯規律，但最大偏差仍在2 Pa 以內。由此可知，當處于中低速風力范圍時，海拔高度對靜壓頭靜壓效果的影響很小，可忽略不計，但高速風力時海拔對靜壓效果是否有規律性的影響，還有待后續研究。

圖6 不同海拔高度下風速與氣壓差的關系

本文還研究了不同風向對靜壓頭靜壓效果的影響。CFD仿真建模參數r ＝80 mm，h ＝27.5 mm，H ＝0 km。如圖7（a）所示，仿真風向以靜壓頭下部分導管為起始軸，順時針方向依次從－60°～60°。

由圖7（b）可知，當風向從－60°（60°）依次增加（減小）到0°，靜壓頭導管口氣壓差均呈現出先減小再增大的趨勢，氣壓差變化規律以0°為中心對稱分布。當風向為0°時，不同風速下導管口氣壓差最大，當風向為±45°時，導管口氣壓差則最小。但從整體來看，在20 m／s風速范圍內，氣壓差隨風向變化較為平坦，無較大偏差。而近地面中低空風速一般在20 m／s 以內［14］，因此風向的變化對氣壓測量的影響基本可以忽略。

圖7 不同風向角度示意圖和相應的CFD仿真結果

3 實驗測試與分析

3.1 風速靜壓實驗

本文采用r ＝80 mm，h ＝27.5 mm 的最優結構尺參數，利用云工廠3D 打印技術加工靜壓頭并開展相關測試驗證實驗［15］。圖8（a）為加工完成的靜壓頭裝置實物及搭建的實驗平臺。靜壓頭呈上下對稱結構，上下圓盤間隔3 mm，圓盤內部有圓柱形鋼絲網防止雜質灰塵堵塞進氣口通道。靜壓頭上導管通過導氣管連接維薩拉TB330 壓力測量儀，通過吹風機給靜壓頭進氣口施加不同大小和方向的風力，可在壓力測量儀上實時顯示上部導管口的氣壓值，同時使用希瑪AT816風速測量儀（±5%的風速誤差）記錄當前靜壓頭進氣口風速，該實驗平臺可以驗證不同風速和風向下的靜壓效果。

圖8 靜壓頭實驗平臺及實驗測試結果

由于實驗條件限制，本文僅對風速為0、5、12 m／s的情況開展了實驗。從圖8（b）可知，無靜壓頭情況下，風速為0 m／s時壓力值為1 025.80 hPa，風速為5 m／s時壓力值為1 026.50 hPa，相比0 m／s 風速時有70 Pa的氣壓波動，風速為12 m／s 時壓力為1 027.50 hPa，相比0 m／s 風速時有170 Pa 的變化。可見在風速干擾下，壓力確實會產生突變，這會影響氣壓測量精度。而當連接了靜壓頭裝置后，不同風速下壓力輸出曲線則較為平坦，無明顯突變，相比于0 m／s風速時情況，5 m／s風速時的氣壓變化波動約6 Pa，12 m／s風速時氣壓波動范圍約12 Pa。由此可見，本文設計的靜壓頭裝置能夠較好地消弱風力帶來的氣壓測量干擾，靜壓效果明顯。

3.2 風向靜壓實驗

本文只對0°以上風向進行實驗，如圖9 所示，以低風速5m／s 為例，風向為0°時，所測氣壓值為1 021.70 hPa；風向為30°時，氣壓值減小至1 021.68 hPa；風向為45°時，氣壓值約為1 021.66 hPa；風向為60°時，氣壓值上升至1 021.67 hPa。一方面，由測量結果可見氣壓變化微小，反映靜壓頭靜壓效果好；另一方面，隨風向角增大呈現輕微的先減小后增大的變化規律與圖7（b）所示的CFD 仿真結果基本一致，驗證了CFD模擬仿真的準確性和可靠性。

除了測試靜壓頭裝置垂直方向的風向外，本文還考慮了靜壓頭水平方向進氣口角度對壓力的影響。選取圓盤進氣口邊緣一點作為0°起始測試點，沿順時針方向以90°間隔依次增加，共4 個測試點，示意圖如圖10（a）所示。

依次對每個進氣口測試點施加5 m／s 的風力，持續3 min，隨后停止2 min 使壓力值恢復正常，實驗測量結果由圖10（b）給出。從圖中不難發現，隨著進氣口角度變化，輸出壓力值沒有明顯波動（約10 Pa），可見進氣口角度變化對靜壓頭的靜壓效果影響基本可以忽略。

圖9 不同風向角度實驗結果示意圖

圖10 不同進氣口測試點示意圖及相應的實驗測試結果

3.3 CFD仿真與實驗對比

為了驗證仿真結果的可靠性，將CFD仿真數據與實驗測量數據進行對比。由于壓力測量儀的初始輸出值隨環境改變而存在差異，因此本文統一使用減去初始值的壓差值來對比分析，從而降低環境因素所帶來的影響。表1 為風速靜壓對比數據，表2 為風向靜壓對比數據。

表1 靜壓頭風速靜壓仿真數據與實驗數據

表2 不同風向角度CFD仿真與實驗結果對比

從表1 和表2 可知，實驗結果與仿真結果有偏差，這是由于實際測量環境相對復雜，而仿真的是理想環境，因此存在幾Pa的誤差可以理解。雖然有一定程度的偏差，但相比于無靜壓頭裝置時的氣壓差，其數值少了一個數量級，可見靜壓效果還是明顯的。從圖11 可以發現，雖然仿真數據與實驗數據有幾Pa 偏差，但仿真曲線變化情況還是較好地表征了實驗結果的變化規律，驗證了流體動力學模擬仿真的可行性。

圖11 風向靜壓仿真與實驗結果對比圖

4 溫度控制

由于靜壓頭裝置工作在近地面中低空，環境溫度相對較低，為了防止空中水汽或雨水在靜壓頭圓盤表面冷凝成水柱，堵塞進氣口影響氣壓準確測量，本文設計了一套溫度控制系統以確保靜壓頭裝置在寒冷條件下平穩可靠地運行［16-17］。

溫度控制系統以STM32F407 為主控芯片，溫度采集選用DS18B20 溫度傳感器，加熱片驅動選用DRV8840 電動機驅動芯片［18］，加熱片選用聚酰亞胺加熱膜并貼合在靜壓頭圓盤表面。整個溫度控制系統實物及實驗平臺如圖12 所示。STM32F407 單片機基于增量式PID 控制算法輸出PWM 波驅動加熱膜［19-20］，對靜壓頭進行恒溫控制，目標溫度為10 ℃。

圖12 帶溫度控制的靜壓頭裝置及溫度箱

對帶溫度控制系統的靜壓頭裝置進行溫度箱測試實驗，溫度箱采用中科賽凌公司生產的高低溫試驗箱，模擬實現不同的環境溫度。溫度控制系統采用PID算法加熱靜壓頭表面并進而維持在10 ℃恒定溫度，每隔10 s讀取一次溫度傳感器當前溫度值。從圖13 可以看出，在－20～0 ℃的低溫下，溫度控制系統都可以較好地對靜壓頭進行恒溫控制，最差情況下（環境溫度為－20℃），190 s左右即可達到恒溫效果。

圖13 靜壓頭表面溫度隨時間變化關系

從圖14 發現，在－20℃環境溫度下，無溫度控制時靜壓頭表面凝集水滴并在進氣口結冰，形成了明顯的冰柱，進而影響進氣通道，這無疑會降低靜壓頭的靜壓效果；而當開啟溫度控制系統后靜壓頭在－20℃下只存在少量水滴，無凍結現象，說明本文設計的溫度控制系統能夠較好地解決靜壓頭在近地面中低空中應用時由于水蒸氣或雨水結冰引起的氣壓測量誤差問題。

圖14 溫度控制實驗前后防雨防結冰效果對比

5 結論

本文通過CFD 軟件Fluent 對靜壓頭屏蔽風速干擾效果進行模擬仿真，通過不同結構參數的仿真結果優化模型設計，同時探討了海拔高度、風向角度等因素對靜壓頭的影響。經過仿真數據與實驗結果對比，可以得出如下結論：

（1）設計的帶溫度控制的靜壓頭裝置，其測量擾動相比無靜壓頭時，降低至幾～十幾Pa 不等，說明該裝置可以有效減弱自然風力帶來的測量干擾，具有較好的靜壓效果。通過溫度箱實驗驗證了靜壓頭裝置在低溫寒冷條件下能夠正常工作。

（2）靜壓頭結構參數與靜壓效果呈現非單調關系。靜壓效果隨著圓盤半徑的增加先增強后減弱，當r ＝80 mm時，靜壓效果最好；圓盤高度與靜壓效果的關系隨著圓盤半徑變化而變化，整體來看，h ＝27.5 mm時取得的靜壓效果最優。

（3）高速自然風對靜壓頭裝置的靜壓效果有影響，風速越大，靜壓效果越弱，說明靜壓頭在屏蔽強烈風力干擾方面有一定的局限性。

（4）在中低速風下，不同風向對靜壓頭的靜壓效果基本無影響。通過模擬仿真可知，在0～2 km 的近地面中低空，風速處于20 m／s以下時，海拔高度對靜壓效果的影響基本可忽略。

本文的CFD仿真數據與實驗數據存在一定差異，最主要的原因在于測試環境不是絕對理想。在結構參數的選擇上，從12 個結構模型中選擇最佳結構參數有可能還達不到實際最好的靜壓效果，同時，受限于實驗條件，本文沒有通過實驗驗證海拔高度與靜壓效果的仿真結論，這些還需要后續深入研究。本文基于流體動力學計算研究的靜壓頭裝置參數優化及仿真分析結果，對提升近地面中低空的氣壓測量精度具有一定的參考價值。