强制通风温度传感器计算流体动力学设计与分析

摘要

大气温度变化约为0.1℃/10a，传统温度传感器在测量大气温度时，太阳辐射被传感器部分吸收，从而导致测量温度高于其真实的大气温度，辐射误差可达0.8℃甚至更高。为了满足高精度的观测要求，有必要研究新型温度传感器。
　　本文提出一种新型强制通风温度传感器设计，利用计算流体动力学(CFD)方法数值计算分析不同尺寸材料模型传感器在相同环境条件下的辐射误差。根据仿真结果，当L型防辐射罩入口直径大于等于25mm时，辐射误差显著降低，不锈钢材料防辐射效果更好，辐射误差随着L型防辐射罩弧度半径的上升而增大。在上述模型参数研究结果的基础上，对太阳辐射强度、气流速度、下垫面反射率、太阳高度角以及海拔高度进行数值仿真。仿真结果显示，强制通风温度传感器的辐射误差随着太阳辐射强度、下垫面反射率、海拔高度的上升而增大，随着气流速度的上升而降低。当气流速度大于8m/s时，太阳辐射强度、下垫面反射率、太阳高度角对辐射误差影响较小，辐射误差可降低至0.01℃量级。
　　为获得任意太阳辐射强度、气流速度、下垫面反射率、太阳高度角和海拔高度等条件下强制通风温度传感器的辐射误差，采用神经网络算法对仿真数据进行拟合，获得辐射误差修正方程。结果表明，CFD仿真结果和辐射误差修正方程结果之差小于0.006℃，两者具有较高的一致性。最后，根据研究所得的强制通风温度传感器辐射误差修正方法，开发了强制通风温度传感器误差修正软件，对其温度测量结果进行实时误差修正。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 研究背景与意义

1．2 地面温度传感器观测精度的研究进展

1．3 强制通风温度传感器国内外研究现状

1．4 本文的主要工作

第二章 计算流体动力学相关理论

2．1 CFD的基本思想和本质

2．2 计算流体动力学的优势

2．3 流体动力学的基本控制方程

2．4 计算流体动力学的数值计算方法

2．5 流体流动基本特性

2．5．1 理想流体与黏性流体

2．5．2 牛顿流体与非牛顿流体

2．5．3 流体热传导和扩散

2．5．4 可压缩流体与不可压缩流体

2．5．5 定常流与非定常流

2．5．6 层流和湍流

2．6 计算流体动力学软件FLUENT

2．6．1 SIMPLE算法

2．6．2 一阶迎风格式和二阶迎风格式

2．6．3 边界条件

第三章 物理模型建立及求解参数设定

3．1 强制通风温度传感器的结构设计

3．2 强制通风温度传感器的结构及物理参数

3．3 CFD的工作流程

3．4 强制通风温度传感器建模及网格划分

3．4．1 三维建模软件Pro／E简介

3．4．2 强制通风温度传感器建模

3．5 强制通风温度传感器网格划分

3．5．1 网格划分软件ICEM简介

3．5．2 强制通风温度传感器非结构网格划分

3．6 计算方法及边界条件设定

3．7 计算收敛性分析

第四章 强制通风温度传感器CFD仿真分析

4．1 强制通风温度传感器优化设计

4．1．1 优化L型防辐射罩通风入口直径

4．1．2 L型防辐射罩弧度半径的优化

4．2 强制通风温度传感器与传统防辐射罩的温度场对比

4．3 气流速度和太阳辐射强度变化对辐射误差的影响

4．4 下垫面反射率和气流速度变化对辐射误差的影响

4．5 太阳高度角变化对辐射误差的影响

4．6 不同海拔高度和太阳辐射强度对辐射误差的影响

第五章 强制通风温度传感器辐射误差修正方程拟合

5．1 神经网络算法的简介

5．1．1 BP网络结构

5．1．2 算法的原理分析

5．2 基于BP神经网络拟合辐射误差修正方程

5．2．1 基于两个自变量的辐射误差修正方程

5．2．2 基于多个自变量的辐射误差修正方程

第六章 强制通风温度传感器辐射误差修正软件设计

6．1 辐射误差修正软件的开发基础

6．1．1 ．NET框架

6．1．2 软件开发语言

6．1．3 数据库管理软件

6．2 强制通风温度传感器辐射误差修正软件

6．2．1 用户登录界面

6．2．2 主界面模块

6．2．3 数据管理界面

6．2．4 误差修正界面

6．2．5 数据拟合界面

6．2．6 历史数据界面

7．1 论文工作总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

作者简介