單屏溫度傳感器內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究

　　引言

　　在航空航天領(lǐng)域中，氣流溫度測量作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及使用過程中最重要的參數(shù)之一，引起了人們極大的興趣和重視。單屏溫度傳感器被普遍用來減小測量氣流溫度時(shí)的誤差。本文之所以選擇單屏溫度傳感器作為研究對(duì)象，是出于以下幾個(gè)原因：第一，單屏溫度傳感器相比于其他結(jié)構(gòu)的傳感器應(yīng)用更廣泛，因而課題更具有普遍意義和實(shí)用價(jià)值；第二， 對(duì)單屏溫度傳感器進(jìn)行數(shù)值模擬具有一定的代表性，從該結(jié)果可以類推以及預(yù)測其它類型傳感器內(nèi)部流場的狀況。

　　目前國內(nèi)通行的做法是在校準(zhǔn)風(fēng)洞上對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，但是試驗(yàn)費(fèi)用昂貴以及無法完全模擬使用情況(如超高溫、高壓等)是試驗(yàn)方法的主要缺陷，而且試驗(yàn)只能在傳感器設(shè)計(jì)制作完成后進(jìn)行，使得研制周期長、費(fèi)用高。本課題針對(duì)單屏溫度傳感器，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)內(nèi)部流場進(jìn)行研究，為此類傳感器的設(shè)計(jì)、使用以及改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)， 旨在縮短該類型傳感器的研制周期，減少研制費(fèi)用。

　　1 數(shù)值模擬方法

　　1．1 基本方程與模型

　　CFD算法為時(shí)問推進(jìn)的有限體積方法，控制方程選用一般曲線坐標(biāo)系下的動(dòng)量守恒形式的N—S方程，為提高收斂速度和求解精度，離散選項(xiàng)中流動(dòng)格式選用耦合隱式穩(wěn)態(tài)的二階迎風(fēng)格式，離散湍流動(dòng)量和湍流耗散率均采用Quick格式。湍流模型選用廣泛使用的重組化群(RNG)K一 二方程模型。

　　1．2 計(jì)算網(wǎng)格

　　本文的數(shù)值模擬研究對(duì)象是單屏溫度傳感器的頭部進(jìn)氣流的位置，使用數(shù)值模擬的方法對(duì)單屏溫度傳感器內(nèi)部流場進(jìn)行理論研究。圖1為單屏溫度傳感器示意圖。由于該計(jì)算區(qū)域的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用了適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)。圖2為本文計(jì)算所用的網(wǎng)格圖，其中靠近左端倒置的“U” 型結(jié)構(gòu)是傳感器中偶絲所處位置，同時(shí)對(duì)靠近傳感器壁面附近的區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。整個(gè)傳感器頭部的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為11．5萬個(gè)，單元總數(shù)約為61．5萬個(gè)。

圖l 單屏溫度傳感器示意圖

圖2 計(jì)算域和網(wǎng)格劃分

　　1．3 流動(dòng)條件和邊界條件

　　在本文的研究中，基準(zhǔn)模型具體結(jié)構(gòu)尺寸及工作參數(shù)由文獻(xiàn)[3]給出，選擇某型單屏溫度傳感器作為研究對(duì)象。經(jīng)過簡化，本文計(jì)算的是一個(gè)在進(jìn)出口邊界條件下的腔內(nèi)氣流擾流問題。數(shù)值模擬的物理外形主要部分為一個(gè)圓柱體，如圖1所示，在圓柱體上右端緊挨的兩處為氣流壓力進(jìn)口，左端的為氣流壓力出口。本文假定載體氣體為空氣，初始狀態(tài)進(jìn)口總壓P = 104338 Pa，總溫T =300 K，氣流馬赫數(shù)為Ma：0．2，空氣的絕熱指數(shù)k=1．4，進(jìn)口截面積A=25．12 X 10m ，試驗(yàn)時(shí)的大氣壓強(qiáng)P =0．98×10 Pa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，壓力入口處的壓力取為總壓，而壓力出口處的壓力取為靜壓。物面為無滑移邊界條件，壁面溫度假定為常數(shù)H J。通過大量試驗(yàn)可知，影響單屏溫度傳感器內(nèi)流場的主要因素之一是壓力入口的馬赫數(shù)。本文的主要研究內(nèi)容是改變?nèi)丝跉饬鞯鸟R赫數(shù)為Ma=0．4和0．6，觀察改變馬赫數(shù)后對(duì)單屏溫度傳感器內(nèi)部流場的影響。

　　2 計(jì)算結(jié)果及分析

　　根據(jù)常用的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表達(dá)方式，本文通過對(duì)速度場、溫度場、壓力場的描述來對(duì)單屏溫度傳感器內(nèi)部流場的情況進(jìn)行分析。首先，準(zhǔn)確知道內(nèi)流速度的目的是確定屏內(nèi)氣流的流動(dòng)狀態(tài)，為修正外屏溫度和求解偶絲溫度分布做準(zhǔn)備。求解內(nèi)流速度的傳熱學(xué)基礎(chǔ)是連續(xù)性方程，得到的單屏溫度傳感器頭部速度數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示(對(duì)圖形做了透明處理)。為了便于分析內(nèi)部流場情況，選擇傳感器中心位置處的一個(gè)截面作為研究對(duì)象，利用上面1．3的計(jì)算條件，可以得出如圖4所示的各馬赫數(shù)下速度大小的云圖。從圖中可以看出，隨著馬赫數(shù)的增大，傳感器內(nèi)部流場速度增大，尤其是傳感器流道中心位置處較為明顯。選擇傳感器頭部幾個(gè)較為直觀的位置進(jìn)行氣流速度的觀察。可看出，在Ma：0．2時(shí)，偶絲附近區(qū)域的平均速度大小為25 m／s，流道中心位置處速度為82 rn／s；Ma= 0．4時(shí)，偶絲附近區(qū)域速度大小為38 m／s，流道中心位置速度120 rn／s；Ma=0．6時(shí)偶絲附近區(qū)域速度大小為75 m／s，流道中心位置速度162 m／s。氣流馬赫數(shù)越大，流速越大，從而增強(qiáng)了對(duì)流換熱，因此單屏溫度傳感器測溫的輻射誤差和導(dǎo)熱誤差都將減小。

圖3 溫度傳感器速度流場圖

　　圖5為單屏溫度傳感器頭部在不同的馬赫數(shù)下溫度線圖。從圖中可看出，溫度總體上呈有規(guī)律的分層分布狀態(tài)，靠近傳感器氣流出口位置的壁面溫度較高，靠近傳感器氣流人口位置的壁面溫度較低，處于進(jìn)氣口和出氣口之問的溫度逐步增加。具體表現(xiàn)在，在馬赫數(shù)為Ma=0．2時(shí)對(duì)應(yīng)的這兩個(gè)位置處的平均溫度分別為308 K和290 K；Ma=0．4時(shí)平均溫度分別為321 K和280 K；Ma：0．6時(shí)平均溫度分別為330 K和250 K。

圖5 溫度線圖

　　圖6為單屏溫度傳感器頭部在不同的馬赫數(shù)下總壓分布圖。從圖中可看出，壓力總體卜呈有規(guī)律的分層分布狀態(tài)，靠近傳感器氣流出口位置的壁面壓力較高，靠近傳感器氣流入口位置的壁面壓力較低，處于進(jìn)氣口和出氣口之間的壓力逐步增加。具體表現(xiàn)在，在馬赫數(shù)為Ma=0．2時(shí)對(duì)應(yīng)的這兩個(gè)位置處的平均壓力分別為114000 Pa和90000 Pa；Ma=O．4時(shí)平均壓力分別為138400 Pa和78300 Pa；Ma=0．6時(shí)平均壓力分別為188400 Pa和60000 Pa

圖6 等壓線圖

　　3 結(jié)論

　　通過上面的內(nèi)容可以看出，本文主要采用數(shù)值模擬的方式對(duì)單屏溫度傳感器的內(nèi)部流場進(jìn)行計(jì)算分析。可得出如下結(jié)論：

　　1)從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可看出單屏溫度傳感器內(nèi)部的速度分布、溫度分布以及壓力分布等參數(shù)，為該型傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用提供了理論支持。

　　2)隨著氣流馬赫數(shù)的增加，氣流流動(dòng)速度逐漸變大，從而分析得出在傳感器中對(duì)流換熱逐漸增強(qiáng)，對(duì)流換熱系數(shù)逐漸變大，換熱量也隨之增加，導(dǎo)致測溫偏差變小，測溫的輻射誤差和導(dǎo)熱誤差也隨之減小，這比較符合同時(shí)也驗(yàn)證了溫度傳感器的傳熱學(xué)規(guī)律。