一種溫控靜壓頭裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(xué)a.電子與信息工程學(xué)院；b.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044）

0 引言

氣壓是氣象觀測(cè)的要素之一，是分析天氣系統(tǒng)的重要因子，氣壓測(cè)量精度影響著天氣預(yù)報(bào)與氣象預(yù)警的準(zhǔn)確性［1-2］。而在近地面自然風(fēng)影響所帶來(lái)的氣壓擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣壓傳感器測(cè)量產(chǎn)生偏差，降低傳感器的測(cè)量精度；同時(shí)，近地面中低空中的不利環(huán)境（雨、灰塵、水汽凍結(jié)）均可能影響氣壓測(cè)量結(jié)果。因此，研究一款能夠防雨防積冰、削弱自然風(fēng)壓功能的靜壓頭裝置，具有重要的實(shí)際意義和工程價(jià)值。為精確測(cè)量大氣邊界層中靜態(tài)壓力的微小波動(dòng)，Nishiyama等［3］首先提出了一種四片式“QuadDisc”靜壓頭設(shè)計(jì)方案，并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)方案的靜壓頭裝置SPH10，最大限度地減少因強(qiáng)風(fēng)和陣風(fēng)引起的氣壓測(cè)量誤差［4］。配備有防雨水和防結(jié)冰裝置，維薩拉公司推出的SPH20 靜壓頭保證了在任何環(huán)境下氣壓測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性［5］。國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究報(bào)道較少，劉篤喜等［6］對(duì)用于飛機(jī)氣壓測(cè)量的靜壓管進(jìn)行CFD 建模仿真，采用正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)靜壓管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)優(yōu)化后參數(shù)加工實(shí)物，進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，最終驗(yàn)證了靜壓效果的可靠性。

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靜壓效果的影響，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對(duì)靜壓頭結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后加工制作了靜壓頭實(shí)物并進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向?qū)嶒?yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬仿真結(jié)果吻合，驗(yàn)證了靜壓頭裝置具有優(yōu)良的靜壓特性。最后，考慮到近地面中低空環(huán)境溫度較低時(shí)，雨水凍結(jié)形成的冰柱可能導(dǎo)致靜壓頭裝置進(jìn)氣口阻塞，從而影響靜壓效果，本文設(shè)計(jì)了溫度控制系統(tǒng)，并通過溫控實(shí)驗(yàn)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(tǒng)模型設(shè)計(jì)與CFD流程

本文設(shè)計(jì)的一種帶溫度控制系統(tǒng)的靜壓頭裝置示意圖如圖1 所示。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由靜壓頭、壓力傳感器和溫度控制系統(tǒng)組成。氣壓和自然風(fēng)引起的氣流通過進(jìn)氣口進(jìn)入靜壓頭，上導(dǎo)管出氣口通過導(dǎo)氣管連接氣壓傳感器。結(jié)合靜壓頭下導(dǎo)管，溫度控制系統(tǒng)主要用于防止靜壓頭進(jìn)氣口受雨水或水汽冷凝結(jié)冰導(dǎo)致的堵塞情況的發(fā)生。

靜壓頭裝置模擬仿真利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件實(shí)現(xiàn)，圖2 給出其仿真流程圖。設(shè)置靜壓頭結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過Pro／E軟件對(duì)靜壓頭進(jìn)行三維實(shí)體建模［7］，進(jìn)行ICEM網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Ansys Fluent中進(jìn)行風(fēng)速場(chǎng)與氣壓場(chǎng)仿真模擬。通過后處理提取靜壓頭導(dǎo)管口風(fēng)速和氣壓仿真數(shù)據(jù)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 基于靜壓頭裝置的氣壓測(cè)量系統(tǒng)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(wǎng)格劃分

以靜壓頭的圓盤半徑r和圓盤高度h作為結(jié)構(gòu)參數(shù)變量，采用Pro／E 建立靜壓頭計(jì)算模型。r 設(shè)定為60，80，100，120 mm；h為23.5，27.5，31.5 mm；靜壓頭導(dǎo)管內(nèi)外徑分別為16 和22 mm，靜壓頭上部分導(dǎo)管長(zhǎng)144 mm，下部分導(dǎo)管長(zhǎng)120 mm；靜壓頭上下圓盤間距3 mm，作為氣壓和自然風(fēng)輸入口。靜壓頭上導(dǎo)管口為氣壓輸出口，通過導(dǎo)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(gè)靜壓頭裝置的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3（a）所示。Pro／E 生成的靜壓頭模型需要經(jīng)過前處理軟件ICEM 網(wǎng)格劃分，才能進(jìn)行Fluent仿真。網(wǎng)格劃分的好壞直接決定了模擬仿真的計(jì)算精度［8-9］，權(quán)衡計(jì)算量和計(jì)算精度，本文采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，可使靜壓頭裝置在流體域中擁有更好的適應(yīng)性。圖3（b）是網(wǎng)格劃分后的效果圖。

圖3 幾何建模和網(wǎng)格劃分效果圖

1.3 Fluent仿真及后處理

Fluent仿真計(jì)算可靠性強(qiáng)、精度高，在工業(yè)設(shè)計(jì)、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［10］。本文選擇湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置迭代次數(shù)為400，實(shí)際仿真中在170 步左右即可實(shí)現(xiàn)收斂。為獲得仿真云圖和數(shù)據(jù)，還需要對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行CFD-POST 后處理［12］。

2 CFD仿真結(jié)果及分析

2.1 CFD風(fēng)速仿真

根據(jù)維薩拉公司SPH10 靜壓頭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［4-5］，首先選擇r ＝100 mm，h ＝27.5 mm，海拔高度H ＝0 km為模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行不同風(fēng)速下靜壓頭裝置的CFD模擬仿真。仿真對(duì)比云圖由圖4 給出，其中設(shè)定自然風(fēng)沿水平方向從左側(cè)進(jìn)入靜壓頭進(jìn)氣口。

圖4 不同風(fēng)速下靜壓頭仿真云圖

由圖4（a）不難發(fā)現(xiàn)，不同大小的自然風(fēng)在靜壓頭外部均形成了明顯風(fēng)速，但進(jìn)入到靜壓頭內(nèi)部時(shí)風(fēng)速迅速減小。以5 m／s風(fēng)速為例，靜壓頭進(jìn)氣口與自然風(fēng)接觸面處的風(fēng)速在1.479～2.218 m／s，而靜壓頭內(nèi)部風(fēng)速在0～0.739 m／s，20和40 m／s風(fēng)速下的情況類似，自然風(fēng)通過靜壓頭圓盤后風(fēng)速均已顯著衰減，在靜壓頭導(dǎo)管內(nèi)基本無(wú)風(fēng)速。從圖4（b）可知，自然風(fēng)力在靜壓頭進(jìn)氣口處產(chǎn)生了較為明顯的壓力干擾。例如，當(dāng)自然風(fēng)速為5m／s時(shí)，靜壓頭進(jìn)氣口處氣壓值相比外界待測(cè)氣壓有近1 個(gè)數(shù)量級(jí)的改變，但由于靜壓頭裝置的靜壓效果，靜壓頭導(dǎo)管內(nèi)部氣壓與外界待測(cè)氣壓基本一致。20、40 m／s 風(fēng)速下的情況類似，雖然在進(jìn)氣口處產(chǎn)生了更加明顯的壓力干擾，但是靜壓頭導(dǎo)管內(nèi)部氣壓值穩(wěn)定，基本沒有氣壓波動(dòng)，且與外界待測(cè)氣壓基本一致。上述CFD仿真結(jié)果表明，初步設(shè)計(jì)的靜壓頭裝置可為氣壓測(cè)量提供較好的靜壓效果，基本屏蔽風(fēng)速效應(yīng)所帶來(lái)的壓力測(cè)量誤差，已經(jīng)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

本文將靜壓頭圓盤進(jìn)氣口和上導(dǎo)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(shù)，Δp越小，表明靜壓效果越好；反之，亦然。為了研究靜壓頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靜壓效果的影響，對(duì)r 和h進(jìn)行系統(tǒng)的CFD仿真。設(shè)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(duì)靜壓效果的影響如圖5所示。

圖5 圓盤高度、圓盤半徑與導(dǎo)管口氣壓差的關(guān)系曲線

由圖5（a）～（c）可以看出，隨著風(fēng)速不斷增大，Δp整體呈現(xiàn)出比較明顯的非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的靜壓效果減弱，這與文獻(xiàn)［13］結(jié)論吻合，說明靜壓頭裝置在屏蔽高速風(fēng)力干擾方面仍有一定的局限性。從圖5（a）～（c）還不難看出，當(dāng)r 為80 mm 時(shí)，Δp 增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)于其他情況更為平穩(wěn)，其整體氣壓差曲線數(shù)值小于其他情況，揭示了80 mm可以作為圓盤半徑參數(shù)的最優(yōu)解。為了更好地說明這一點(diǎn)，以40 m／s風(fēng)速時(shí)靜壓效果最差的情況為例，由圖5（d）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)h＝27.5 mm時(shí)，取不同圓盤半徑時(shí)，其氣壓差均為最小或中位數(shù)。值得注意的是，當(dāng)圓盤半徑為80 mm 時(shí)，不同h條件下的整體最大氣壓差遠(yuǎn)小于其他組，且當(dāng)h為27.5 mm時(shí)，最大氣壓差僅為5.86 Pa。根據(jù)以上CFD模擬仿真結(jié)果，本文選擇r ＝80 mm，h ＝27.5 mm作為最終結(jié)構(gòu)參數(shù)制作靜壓頭，其擁有最優(yōu)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(chǎng)景是2 km 以內(nèi)的近地面中低空，本文研究了海拔高度對(duì)靜壓效果的影響。選用最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)（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(shí)現(xiàn)）觀察靜壓效果。由圖6 可知，在風(fēng)速30 m／s以內(nèi)，各海拔高度下風(fēng)速引起的氣壓差基本一致，最大偏差在1 Pa以內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速大于30 m／s 時(shí)，各海拔高度下的氣壓差變化無(wú)明顯規(guī)律，但最大偏差仍在2 Pa 以內(nèi)。由此可知，當(dāng)處于中低速風(fēng)力范圍時(shí)，海拔高度對(duì)靜壓頭靜壓效果的影響很小，可忽略不計(jì)，但高速風(fēng)力時(shí)海拔對(duì)靜壓效果是否有規(guī)律性的影響，還有待后續(xù)研究。

圖6 不同海拔高度下風(fēng)速與氣壓差的關(guān)系

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

由圖7（b）可知，當(dāng)風(fēng)向從－60°（60°）依次增加（減小）到0°，靜壓頭導(dǎo)管口氣壓差均呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢(shì)，氣壓差變化規(guī)律以0°為中心對(duì)稱分布。當(dāng)風(fēng)向?yàn)?°時(shí)，不同風(fēng)速下導(dǎo)管口氣壓差最大，當(dāng)風(fēng)向?yàn)椤?5°時(shí)，導(dǎo)管口氣壓差則最小。但從整體來(lái)看，在20 m／s風(fēng)速范圍內(nèi)，氣壓差隨風(fēng)向變化較為平坦，無(wú)較大偏差。而近地面中低空風(fēng)速一般在20 m／s 以內(nèi)［14］，因此風(fēng)向的變化對(duì)氣壓測(cè)量的影響基本可以忽略。

圖7 不同風(fēng)向角度示意圖和相應(yīng)的CFD仿真結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 風(fēng)速靜壓實(shí)驗(yàn)

本文采用r ＝80 mm，h ＝27.5 mm 的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺參數(shù)，利用云工廠3D 打印技術(shù)加工靜壓頭并開展相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)［15］。圖8（a）為加工完成的靜壓頭裝置實(shí)物及搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。靜壓頭呈上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，上下圓盤間隔3 mm，圓盤內(nèi)部有圓柱形鋼絲網(wǎng)防止雜質(zhì)灰塵堵塞進(jìn)氣口通道。靜壓頭上導(dǎo)管通過導(dǎo)氣管連接維薩拉TB330 壓力測(cè)量?jī)x，通過吹風(fēng)機(jī)給靜壓頭進(jìn)氣口施加不同大小和方向的風(fēng)力，可在壓力測(cè)量?jī)x上實(shí)時(shí)顯示上部導(dǎo)管口的氣壓值，同時(shí)使用?，擜T816風(fēng)速測(cè)量?jī)x（±5%的風(fēng)速誤差）記錄當(dāng)前靜壓頭進(jìn)氣口風(fēng)速，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以驗(yàn)證不同風(fēng)速和風(fēng)向下的靜壓效果。

圖8 靜壓頭實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文僅對(duì)風(fēng)速為0、5、12 m／s的情況開展了實(shí)驗(yàn)。從圖8（b）可知，無(wú)靜壓頭情況下，風(fēng)速為0 m／s時(shí)壓力值為1 025.80 hPa，風(fēng)速為5 m／s時(shí)壓力值為1 026.50 hPa，相比0 m／s 風(fēng)速時(shí)有70 Pa的氣壓波動(dòng)，風(fēng)速為12 m／s 時(shí)壓力為1 027.50 hPa，相比0 m／s 風(fēng)速時(shí)有170 Pa 的變化?？梢娫陲L(fēng)速干擾下，壓力確實(shí)會(huì)產(chǎn)生突變，這會(huì)影響氣壓測(cè)量精度。而當(dāng)連接了靜壓頭裝置后，不同風(fēng)速下壓力輸出曲線則較為平坦，無(wú)明顯突變，相比于0 m／s風(fēng)速時(shí)情況，5 m／s風(fēng)速時(shí)的氣壓變化波動(dòng)約6 Pa，12 m／s風(fēng)速時(shí)氣壓波動(dòng)范圍約12 Pa。由此可見，本文設(shè)計(jì)的靜壓頭裝置能夠較好地消弱風(fēng)力帶來(lái)的氣壓測(cè)量干擾，靜壓效果明顯。

3.2 風(fēng)向靜壓實(shí)驗(yàn)

本文只對(duì)0°以上風(fēng)向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖9 所示，以低風(fēng)速5m／s 為例，風(fēng)向?yàn)?°時(shí)，所測(cè)氣壓值為1 021.70 hPa；風(fēng)向?yàn)?0°時(shí)，氣壓值減小至1 021.68 hPa；風(fēng)向?yàn)?5°時(shí)，氣壓值約為1 021.66 hPa；風(fēng)向?yàn)?0°時(shí)，氣壓值上升至1 021.67 hPa。一方面，由測(cè)量結(jié)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(fēng)向角增大呈現(xiàn)輕微的先減小后增大的變化規(guī)律與圖7（b）所示的CFD 仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了CFD模擬仿真的準(zhǔn)確性和可靠性。

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

依次對(duì)每個(gè)進(jìn)氣口測(cè)試點(diǎn)施加5 m／s 的風(fēng)力，持續(xù)3 min，隨后停止2 min 使壓力值恢復(fù)正常，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果由圖10（b）給出。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)氣口角度變化，輸出壓力值沒有明顯波動(dòng)（約10 Pa），可見進(jìn)氣口角度變化對(duì)靜壓頭的靜壓效果影響基本可以忽略。

圖9 不同風(fēng)向角度實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖

圖10 不同進(jìn)氣口測(cè)試點(diǎn)示意圖及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.3 CFD仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，將CFD仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。由于壓力測(cè)量?jī)x的初始輸出值隨環(huán)境改變而存在差異，因此本文統(tǒng)一使用減去初始值的壓差值來(lái)對(duì)比分析，從而降低環(huán)境因素所帶來(lái)的影響。表1 為風(fēng)速靜壓對(duì)比數(shù)據(jù)，表2 為風(fēng)向靜壓對(duì)比數(shù)據(jù)。

表1 靜壓頭風(fēng)速靜壓仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 不同風(fēng)向角度CFD仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表1 和表2 可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果有偏差，這是由于實(shí)際測(cè)量環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，而仿真的是理想環(huán)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(wú)靜壓頭裝置時(shí)的氣壓差，其數(shù)值少了一個(gè)數(shù)量級(jí)，可見靜壓效果還是明顯的。從圖11 可以發(fā)現(xiàn)，雖然仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有幾Pa 偏差，但仿真曲線變化情況還是較好地表征了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律，驗(yàn)證了流體動(dòng)力學(xué)模擬仿真的可行性。

圖11 風(fēng)向靜壓仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

4 溫度控制

由于靜壓頭裝置工作在近地面中低空，環(huán)境溫度相對(duì)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(jìn)氣口影響氣壓準(zhǔn)確測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了一套溫度控制系統(tǒng)以確保靜壓頭裝置在寒冷條件下平穩(wěn)可靠地運(yùn)行［16-17］。

溫度控制系統(tǒng)以STM32F407 為主控芯片，溫度采集選用DS18B20 溫度傳感器，加熱片驅(qū)動(dòng)選用DRV8840 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)溫度控制系統(tǒng)實(shí)物及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12 所示。STM32F407 單片機(jī)基于增量式PID 控制算法輸出PWM 波驅(qū)動(dòng)加熱膜［19-20］，對(duì)靜壓頭進(jìn)行恒溫控制，目標(biāo)溫度為10 ℃。

圖12 帶溫度控制的靜壓頭裝置及溫度箱

對(duì)帶溫度控制系統(tǒng)的靜壓頭裝置進(jìn)行溫度箱測(cè)試實(shí)驗(yàn)，溫度箱采用中科賽凌公司生產(chǎn)的高低溫試驗(yàn)箱，模擬實(shí)現(xiàn)不同的環(huán)境溫度。溫度控制系統(tǒng)采用PID算法加熱靜壓頭表面并進(jìn)而維持在10 ℃恒定溫度，每隔10 s讀取一次溫度傳感器當(dāng)前溫度值。從圖13 可以看出，在－20～0 ℃的低溫下，溫度控制系統(tǒng)都可以較好地對(duì)靜壓頭進(jìn)行恒溫控制，最差情況下（環(huán)境溫度為－20℃），190 s左右即可達(dá)到恒溫效果。

圖13 靜壓頭表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系

從圖14 發(fā)現(xiàn)，在－20℃環(huán)境溫度下，無(wú)溫度控制時(shí)靜壓頭表面凝集水滴并在進(jìn)氣口結(jié)冰，形成了明顯的冰柱，進(jìn)而影響進(jìn)氣通道，這無(wú)疑會(huì)降低靜壓頭的靜壓效果；而當(dāng)開啟溫度控制系統(tǒng)后靜壓頭在－20℃下只存在少量水滴，無(wú)凍結(jié)現(xiàn)象，說明本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)能夠較好地解決靜壓頭在近地面中低空中應(yīng)用時(shí)由于水蒸氣或雨水結(jié)冰引起的氣壓測(cè)量誤差問題。

圖14 溫度控制實(shí)驗(yàn)前后防雨防結(jié)冰效果對(duì)比

5 結(jié)論

本文通過CFD 軟件Fluent 對(duì)靜壓頭屏蔽風(fēng)速干擾效果進(jìn)行模擬仿真，通過不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真結(jié)果優(yōu)化模型設(shè)計(jì)，同時(shí)探討了海拔高度、風(fēng)向角度等因素對(duì)靜壓頭的影響。經(jīng)過仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：

（1）設(shè)計(jì)的帶溫度控制的靜壓頭裝置，其測(cè)量擾動(dòng)相比無(wú)靜壓頭時(shí)，降低至幾～十幾Pa 不等，說明該裝置可以有效減弱自然風(fēng)力帶來(lái)的測(cè)量干擾，具有較好的靜壓效果。通過溫度箱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jié)構(gòu)參數(shù)與靜壓效果呈現(xiàn)非單調(diào)關(guān)系。靜壓效果隨著圓盤半徑的增加先增強(qiáng)后減弱，當(dāng)r ＝80 mm時(shí)，靜壓效果最好；圓盤高度與靜壓效果的關(guān)系隨著圓盤半徑變化而變化，整體來(lái)看，h ＝27.5 mm時(shí)取得的靜壓效果最優(yōu)。

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

（4）在中低速風(fēng)下，不同風(fēng)向?qū)o壓頭的靜壓效果基本無(wú)影響。通過模擬仿真可知，在0～2 km 的近地面中低空，風(fēng)速處于20 m／s以下時(shí)，海拔高度對(duì)靜壓效果的影響基本可忽略。

本文的CFD仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定差異，最主要的原因在于測(cè)試環(huán)境不是絕對(duì)理想。在結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇上，從12 個(gè)結(jié)構(gòu)模型中選擇最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)有可能還達(dá)不到實(shí)際最好的靜壓效果，同時(shí)，受限于實(shí)驗(yàn)條件，本文沒有通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證海拔高度與靜壓效果的仿真結(jié)論，這些還需要后續(xù)深入研究。本文基于流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算研究的靜壓頭裝置參數(shù)優(yōu)化及仿真分析結(jié)果，對(duì)提升近地面中低空的氣壓測(cè)量精度具有一定的參考價(jià)值。