论文总字数：21125字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1引言 3

1.1高空大气温度探测的意义 3

1.2探空仪辐射误差的来源 3

1.3关于太阳辐射误差的研究现状 3

1.4运用数值仿真分析解决太阳辐射误差问题的方法的提出 4

2 有关探空仪的基础理论 6

2.1 高空气象探测 6

2.2 温度传感器的分类 7

2.2.1 热敏电阻 7

2.2.2 双金属片式温度传感器 7

2.2.3 铂电阻式温度传感器 7

2.2.4 热电偶 8

2.3 传热学理论 8

2.4 三种传热方式 8

2.4.1 热传导 8

2.4.2 热对流 9

2.4.3 热辐射 9

2.5 本章小结 10

3 CFD基础理论及软件介绍 11

3.1计算流体力学的发展 11

3.2计算流体力学的基础理论 11

3.2.1 CFD的求解流程 11

3.2.2 CFD的控制方程 12

3.3 软件介绍 13

3.3.1 建模软件Pro/Engineer 13

3.3.2网格划分软件ICEM CFD 14

3.3.3仿真软件软件FLUENT 15

3.4 本章小结 16

4 温度传感器探空仪的多物理场耦合传热分析 17

4.1 温度传感器高空作业环境 17

4.2 探空温度传感器的多物理场耦合传热分析 17

4.2.1仿真前期准备工作具体步骤 17

4.2.2 FLUENT仿真部分 20

4.3 结果分析 20

4.3.1结果 20

4.3.2 验证 28

4.4 结论 30

4.5 本章小结 30

5 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2展望 31

参考文献 32

致谢 33

具有高精度温度传感器的探空仪仿真研究

王智超

，China

Abstract：With the continuous improvement of numerical weather forecast and climate change research, it is hoped that the observation accuracy of sounding temperature sensor will reach the order of 0.1K. In order to achieve this goal, the computational fluid dynamics CFD method was used to analyze the solar radiation error of the thermocouple from the ground to the whole process of 32km high altitude. On this basis, the angle of solar radiation which affects the accuracy of temperature measurement is analyzed and discussed, and its internal relationship with solar radiation error is obtained. According to the practical problems and the physical model of the sounding temperature sensor, a simplified geometric model is obtained, and the geometric model is meshed. Finally, the boundary conditions of the real environment around the measured point are set and the physical field coupling heat transfer analysis is realized. The simulation results show that the altitude and the solar radiation angle are the important influencing factors of solar radiation error. The above research results are expected to improve the accuracy of temperature sensor measurement, and contribute to the research level of climate change and numerical prediction accuracy.

Key words：Atmospheric temperature measurement；Radiosonde Temperature Sensor； Radiation error correction；Numerical simulation；Computational fluid dynamics

1引言

1.1高空大气温度探测的意义

大气温度即气温，是空气冷热标准的量。地面温度受到多方面因素的影响，这无疑使得测量的困难程度更高。这几年来，随着气候研究的不断加深，已经有不少对地面变化的气温研究取得成果，但是气候变化的观察测量不能与大气的结构变化的研究分开，大气的内部联系让高空大气温度的研究成为气候研究的重点之一 ^[1]。由此可见，需要探空温度传感器能够测量出更精细的数据。因此，寻求探测各种方法来改善温度传感器的精度已经逐步发展为重要的研究方向。

1.2探空仪辐射误差的来源

在这个来源方面，我们思考的方向主要是以下两个方向。一方面，与传感器配套的测控电路系统存在误差。这方面，亚微瓦级检测电路已经可以做到有效减少传感器的自热误差。另一方面，则来源于太阳辐射。

温度传感器在飞行过程中不可避免的会吸收太阳辐射，因此而产生加热误差，这在大气测温的准确性上会产生严重影响^[1]。

温度传感器在大气中慢慢升高，其外表必然会受到太阳的照射，这使得它本身的温度也随之上升，这将会加在测量的温度之上，这就好像是将测温传感器置于加热的状态，像这样的误差就称为太阳辐射误差。

根据相关资料^[2]显示，同一太阳高度角时，不同的海拔高度，传感器所形成的辐射误差也不同。海拔高度越低，误差越大。具体表现为，在20°的太阳照射角度，不同的大气压下，测得的辐射误差如下表1.1所示。

表1.1 不同大气压下的辐射误差

正因如此，传感器最后给出的测量结果其实是真正的气温加上本身受热升温的总和，所以，如果我们想要得到真实有效的温度结果，就要剔除太阳对传感器的升温影响，或者说找出太阳对传感器加热升温的具体规律，予以辅助校正。在我们获得的传感器测量出的温度的基础上，人为的进行有效规避误差，从而得到更接近真正大气温度的数据。

1.3关于太阳辐射误差的研究现状

有关探空温度传感器的研究，国内外的学者已经深入开展了很多方面的工作，但是由于现实技术条件所限，如何有效修正太阳辐射而造成的误差，还有待进一步深入探讨研究。目前为，在此方面的研究主要是利用风洞实验和经验估计两种方式，遗憾的是都存在着各自的缺陷，还有很大的可以改进的空间。

其中之一的风洞实验法，是一种将物体的模型放在有流通空气的某个空间之中，观测物体的实验。在实际试验情况中，风洞的建造十分困难，并且要保证一些参数的精确度，这更是使这个实验的难度大大增加了。说白了，风洞其实就是人类在地面上人为地建造的一个小型“天空”。这方面的费用无疑是巨大的，但是各个发达国家对风洞实验的开展和研究仍然给出了不小的支持。

风洞实验既然作为一种人为的模拟实验，当然不可能做到完全准确。简单来说，这个实验的不足或者说难点主要有下面三个方面。

1. 低气压的风洞建造难度很大，更不用说高空的低到10百帕这个数量级的一些情况；
2. 太阳辐射的模拟是个很大的问题，低气压的情况下，就更难实现；
3. 在实验阶段，风洞的壁面边界对于太阳的辐射会产生反射，这极大的干扰了实验本身的目的。

因此，尽管风洞实验受到国家的支持，但是仍然不是研究大气温度辐射误差的理想选择。

其中之二则是经验估计。这个方法是现如今最常用的方法，探空仪的生产厂家会给出探空仪相应的校正数值，用来校正测得的误差值。厂家的给出的这组修正值，往往是根据经验，在囊括考虑了真实的上升速度的情况下，把校正值写成是上升时不同的太阳高度角对应的一组函数。但是经验的算法无法保证其精确度以及科学性，而且，这些函数没有考虑不同温度传感器的材料、大小、表面的反射率等因素，使得函数的准确性大大降低。因此，这个方法得到的数据在我们看来并不能够用来研究高精度的探空传感器问题。

1.4运用数值仿真分析解决太阳辐射误差问题的方法的提出

考虑到上述的几个问题，本文提出了较为科学且高精度的降低辐射误差的校正公式。

本文上文已经简单介绍了太阳辐射误差的来源以及现阶段已有的修正误差的方法，以及海内外相关研究人员的一些研究。下文我将从热力学基础理论、软件介绍、实验方法、结论分析等方面逐一具体展开。

为了推动高空气象探测的研究，为了更好的校正太阳辐射对测温传感器的干扰。本文在考虑风速、太阳高度角、太阳辐射强度、热电偶表面采莲反射率、热电偶外形尺寸等因素下，运用FLUENT软件进行细致的仿真计算。在计算流体动力学的理论基础上，由电脑模拟仿真，求得实时的模型切面温度误差。在不同的海报高度、不同的太阳高度角下，得到不同的数据，将这些数据记录收集起来，进行后续的处理。通过MATLAB拟合出的公式，经过后续的仿真验证，即可作为校正误差的有效公式。

本文提出采用计算流体力学方法对探空温度传感器热电偶进行多物理场耦合传热分析仿真。这是本文的创新点也是本文的基础构想。

根据上文的介绍，我们不难看出辐射对传感器的作用对于测温误差的影响十分重要，对其的校正研究也越来越值得重视。尤其是高空探测的研究，更需要精确的数据。因此，能够得到更为精准的气温数据对于气候测量研究具有深刻的意义。

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