引言

      在航空航天領域中，氣流溫度測量作為航空發動機設計、試驗以及使用過程中最重要的參數之一，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的誤差。本文之所以選擇單屏溫度傳感器作為研究對象，是出于以下幾個原因：第一，單屏溫度傳感器相比于其他結構的傳感器應用更廣泛，因而課題更具有普遍意義和實用價值；第二， 對單屏溫度傳感器進行數值模擬具有一定的代表性，從該結果可以類推以及預測其它類型傳感器內部流場的狀況。
      目前國內通行的做法是在校準風洞上對傳感器進行校準，但是試驗費用昂貴以及無法完全模擬使用情況(如超高溫、高壓等)是試驗方法的主要缺陷，而且試驗只能在傳感器設計制作完成后進行，使得研制周期長、費用高。本課題針對單屏溫度傳感器，采用數值模擬的方法對內部流場進行研究，為此類傳感器的設計、使用以及改進提供理論基礎， 旨在縮短該類型傳感器的研制周期，減少研制費用。

 
1 數值模擬方法

1．1 基本方程與模型

 
      CFD算法為時問推進的有限體積方法，控制方程選用一般曲線坐標系下的動量守恒形式的N—S方程，為提高收斂速度和求解精度，離散選項中流動格式選用耦合隱式穩態的二階迎風格式，離散湍流動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 計算網格

      本文的數值模擬研究對象是單屏溫度傳感器的頭部進氣流的位置，使用數值模擬的方法對單屏溫度傳感器內部流場進行理論研究。圖1為單屏溫度傳感器示意圖。由于該計算區域的結構復雜，采用了適應性較強的非結構化四面體網格劃分技術。圖2為本文計算所用的網格圖，其中靠近左端倒置的“U” 型結構是傳感器中偶絲所處位置，同時對靠近傳感器壁面附近的區域進行了網格加密。整個傳感器頭部的網格節點總數約為11．5萬個，單元總數約為61．5萬個。

圖l 單屏溫度傳感器示意圖

圖2 計算域和網格劃分

1．3 流動條件和邊界條件

      在本文的研究中，基準模型具體結構尺寸及工作參數由文獻[3]給出，選擇某型單屏溫度傳感器作為研究對象。經過簡化，本文計算的是一個在進出口邊界條件下的腔內氣流擾流問題。數值模擬的物理外形主要部分為一個圓柱體，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，初始狀態進口總壓P = 104338 Pa，總溫T =300 K，氣流馬赫數為Ma：0．2，空氣的絕熱指數k=1．4，進口截面積A=25．12 X 10m ，試驗時的大氣壓強P =0．98×10 Pa。根據實驗和經驗，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H J。通過大量試驗可知，影響單屏溫度傳感器內流場的主要因素之一是壓力入口的馬赫數。本文的主要研究內容是改變人口氣流的馬赫數為Ma=0．4和0．6，觀察改變馬赫數后對單屏溫度傳感器內部流場的影響。

 
      根據常用的數值模擬計算結果表達方式，本文通過對速度場、溫度場、壓力場的描述來對單屏溫度傳感器內部流場的情況進行分析。首先，準確知道內流速度的目的是確定屏內氣流的流動狀態，為修正外屏溫度和求解偶絲溫度分布做準備。求解內流速度的傳熱學基礎是連續性方程，得到的單屏溫度傳感器頭部速度數值模擬計算結果如圖3所示(對圖形做了透明處理)。為了便于分析內部流場情況，選擇傳感器中心位置處的一個截面作為研究對象，利用上面1．3的計算條件，可以得出如圖4所示的各馬赫數下速度大小的云圖。從圖中可以看出，隨著馬赫數的增大，傳感器內部流場速度增大，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較為直觀的位置進行氣流速度的觀察。可看出，在Ma：0．2時，偶絲附近區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，偶絲附近區域速度大小為38 m／s，流道中心位置速度120 rn／s；Ma=0．6時偶絲附近區域速度大小為75 m／s，流道中心位置速度162 m／s。氣流馬赫數越大，流速越大，從而增強了對流換熱，因此單屏溫度傳感器測溫的輻射誤差和導熱誤差都將減小。

圖3 溫度傳感器速度流場圖

圖四 速度云圖

      圖5為單屏溫度傳感器頭部在不同的馬赫數下溫度線圖。從圖中可看出，溫度總體上呈有規律的分層分布狀態，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，處于進氣口和出氣口之問的溫度逐步增加。具體表現在，在馬赫數為Ma=0．2時對應的這兩個位置處的平均溫度分別為308 K和290 K；Ma=0．4時平均溫度分別為321 K和280 K；Ma：0．6時平均溫度分別為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下總壓分布圖。從圖中可看出，壓力總體卜呈有規律的分層分布狀態，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，處于進氣口和出氣口之間的壓力逐步增加。具體表現在，在馬赫數為Ma=0．2時對應的這兩個位置處的平均壓力分別為114000 Pa和90000 Pa；Ma=O．4時平均壓力分別為138400 Pa和78300 Pa；Ma=0．6時平均壓力分別為188400 Pa和60000 Pa。

圖6 等壓線圖

      通過上面的內容可以看出，本文主要采用數值模擬的方式對單屏溫度傳感器的內部流場進行計算分析。可得出如下結論：
      1)從數值模擬計算結果可看出單屏溫度傳感器內部的速度分布、溫度分布以及壓力分布等參數，為該型傳感器的結構設計和使用提供了理論支持。
      2)隨著氣流馬赫數的增加，氣流流動速度逐漸變大，從而分析得出在傳感器中對流換熱逐漸增強，對流換熱系數逐漸變大，換熱量也隨之增加，導致測溫偏差變小，測溫的輻射誤差和導熱誤差也隨之減小，這比較符合同時也驗證了溫度傳感器的傳熱學規律。