探空湿度测量防雨帽优化设计仿真研究

2021-12-14冒晓莉赵雪伟吴其宇张加宏

实验室研究与探索 2021年10期

冒晓莉，赵雪伟，吴其宇，张加宏

（南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044）

0 引言

气象观测是气象事业发展的基础，对防灾减灾和应对气候变化影响重大。相对湿度的高空探测是作为数值天气预报模式分析初始化中使用的基本测量值之一，高空湿度探测主要是通过无线探空仪进行直接测量。目前，各类无线探测仪都在探测臂安装了不同类型的防雨帽，以防高空探测过程中湿度传感器受到环境物质的污染等情况对探测结果造成影响。若没有防雨帽，湿度传感器直接裸露在太阳辐射下，太阳的照射使得传感器表面感湿膜的温度高于周围环境的温度，导致湿度测量值偏干，也就是常说的太阳辐射偏干误差（solar radiation dry bias，SRDB）［1-5］。防雨帽也能起到防太阳辐射的作用，其防辐射能力和防雨帽的尺寸和形状有关。如GTS1-1 湿度测量系统采用的防雨帽尺寸较大，设计空气流通性较好，相比传感器直接暴露在太阳辐射下起到一定的防辐射效果。探空仪采用的防雨帽，在低空中起到一定的防辐射效果［6］，到了高空25 km时，防雨帽不仅起不到防辐射的作用，传感器上的温度甚至高于不带防雨帽的情况，原因是高空气流变得稀薄，防雨帽的形状不利于空气流通，导致防雨帽内部由于太阳辐射的影响温度远高于环境温度，饱和水汽压降低，使得湿度测量值偏干。

目前世界主流无线探测仪如iMet-3200、GL-5000P、RS80 以及GTS1 型等均采用圆柱形防雨帽，也有例如Graw GE-E 型探空仪采用了贴合式菱形防雨帽，INC LMG6 型探空仪采用了大尺寸倒扣半球型防雨帽。为最大限度地降低防雨帽对湿度测量带来的影响，需要对无线探空仪防雨帽的尺寸、材料和形状进行优化设计。

上述各类型探空仪防雨帽均采用了独特的结构设计，本文对比现存不同形状防雨帽的防雨效果和防辐射能力，得出结构对比结论。为进一步优化防雨帽的空气流通性效果，本研究将防水透气膜材料［7］（膨体聚四氯乙烯expanded PTFE）应用于无线探空仪的防雨帽结构中。

1 研究方法及理论基础

对3 种常用结构的防雨帽进行仿真对比，比较各结构防雨帽下产生的SRDB 情况；对比采用传统材料与防水透气膜材料的防雨帽对SRDB 的影响；分析对比各结构防雨帽的实际防雨效果。

1.1 湿度偏干误差理论

探空仪在探空过程中，带有防雨帽的湿度测量系统在太阳辐射的影响下，防雨帽内部温度升高，饱和水汽压则随之升高，导致湿度传感器测量的相对湿度值出现SRDB。

电容式湿度传感器上的感湿膜作为电容的介质，感湿膜中水汽分子的含量影响介电常数，从而改变电容，即通过测量电容可获得空气的相对湿度值。相对湿度RH，是大气中的实际水汽压e与饱和水汽压E的比值：RH=（e/E）×100%。饱和水汽压E与温度直接相关，温度越高，饱和水汽压越大。当空气中的水汽压e保持不变，温度升高，饱和水汽压也会随之变大，相对湿度就会变小。当探空仪在高空某一高度下，假设大气环境温度为T0，因太阳辐射加热效应导致湿度传感器表面温度升至T1，感湿膜周围的大气升温前后的饱和水汽压值分别为E（T0）和E（T1）。若当前水汽压值为e，则相对湿度为：

因太阳辐射引起升温后大气饱和水汽压值为E（T1），这时传感器测得的相对湿度为：

由此可见，太阳辐射引起的湿度相对误差为：

可见，太阳辐射引起的湿度测量偏干相对误差er与E（T0）和E（T1）有关，而T1=T0+ΔT，所以，相对误差er与ΔT直接相关。探空仪上温度传感器和湿度传感器提供的是环境温度T0和相对湿度RH1，若能得到太阳辐射下湿度传感器的温升ΔT的值，便可通过式（3）得知大气实际的相对湿度RH0，即对探空仪测量的湿度廓线进行太阳辐射误差修正。

1.2 建模与仿真

研究不同防雨帽结构模型对湿度测量误差的影响。对市面上常用探空仪的防雨帽进行归类，主要对比了以下3 种防雨帽结构，如图1 所示。

图1 3种不同结构防雨帽

在模拟仿真中，以上述3 种模型为基础，对模型的尺寸、材料进行改变，对比研究不同条件下太阳辐射所带来的湿度测量偏干误差，给防雨帽的优化设计提供数据依据［8］。

基于模拟仿真对探空湿度测量系统的防雨帽进行优化设计的方案如图2 所示。

图2 研究方案

在三维建模软件Pro/E 中构建湿度测量系统，包括防雨帽、湿度传感器、支架。通过ICEM软件对湿度测量系统模型进行网格划分，优化网格划分方案，直至网格符合计算要求。通过计算流体动力学（CFD）软件Fluent仿真［8-11］，模拟高空环境获得湿度测量系统在不同模型情况下的温度场、湿度场以及云雨滴轨迹。综合对比不同材料、结构的防雨帽对湿度测量的偏干误差的影响，再结合防雨帽的防雨效果对防雨帽提出优化方案。

1.3 防雨帽材料

拟采用防水透气膜代替传统的防雨帽材料。防水透气膜（膨体聚四氯乙烯expanded PTFE），是一种新型的医用高分子材料。防水透气膜最主要的特性在于能够通过水蒸气分子，对于液态水，由于粒子颗粒较大，在水珠表面张力的作用下，液态水无法透过防水透气膜。该防水透气膜还具有平衡压差、散热、耐高低温且材料强度大等特点，最重要的是该防水透气膜具有良好的隔热性［9-13］，这对于降低防雨帽内部温度，减少偏干误差有着积极的效果。

在使用Fluent 时，通常对防雨帽的材料设置是塑料固态（solid）外壳，为在仿真过程中模拟出防水透气膜，在本实验中的主要物理特性，即高分子微孔结构带来的透气性，需将构成防雨帽的防水透气膜外壳设置为流体域（fluid）以模拟多孔介质（Porous zone）结构。对于透气量的设定需要对Porous zone 中阻力参数（inertial resistance）进行设定，根据防水透气膜材料的透气量：1.5～3 L/（cm·min），代入多孔介质动量公式

式中：μ为空气黏度，约为1.789 4 ×10-2Pa·s；v为风速（m/s）。将透气量1.5 L/（cm·min）转换为风速v即为0.25 m/s，根据式（4）即可得出1/α=1.565 ×109，将此数值设置为多孔介质中的阻力参数。

2 仿真

研究探空仪所处不同海拔以及不同尺寸防雨帽对湿度测量的SRDB 的影响；通过比较不同结构防雨帽在相同情况下的SRDB，研究防雨帽结构对其的影响；采用防水透气膜构成防雨帽，对比传统材料防雨帽的SRDB差异性，研究防雨帽材料对SRDB 的影响；研究各结构防雨帽在降雨条件下的防雨效果。综合防雨帽的防雨和防辐射效果，对防雨帽的结构尺寸和材料提出优化设计方案。

2.1 误差与防雨帽尺寸的关系

以半球形防雨帽为例，分别取3 种不同尺寸为建模对象，其直径依次为40（LMG6 型探空仪）、30 以及23 mm（根据湿度传感器的尺寸大小，防雨帽尺寸最小情况），比较这3 种尺寸防雨帽构成的探空仪模型在海拔高度H=0～32 km 范围、太阳高度角为90°下的相对湿度误差情况，其对比结果如图3 所示。

图3 防雨帽尺寸对相对湿度误差的影响

由图3 不难看出，湿度相对误差随海拔的升高而增加，原因是海拔越高，太阳辐射越强，空气越稀薄导致空气的流通性减弱，防雨帽内外温升量变大，湿度相对误差增加；相同尺寸下采用防水透气膜的防雨帽防辐射效果更好。对比同一材料下的防雨帽湿度测量系统模型，直径越小时湿度的相对误差越低，这是因为太阳高度角90°的情况下，直径越小，受太阳辐射的等效面积越小，防雨帽内的温升量越低，所以湿度的相对误差越低。这个结论对于传统材料的防雨帽和新型材料的防雨帽同样适用。

2.2 结构对比

常用探空仪的湿度传感器有电容式和电阻式两种，由于电阻式传感器尺寸较大，故防雨帽尺寸也较大，如探空仪GTS1 上采用的方形防雨帽（尺寸为170 mm×87 mm×47.5 mm）；电容式湿度传感器尺寸相比电阻式小很多，一般采用圆柱形（RS80，简称测量系统A）、半球形（LMG6 型，简称测量系统B）以及贴合式菱形（Graw GE-E型，简称测量系统C）这3 种不同结构防雨帽，3 种防雨帽下太阳辐射引起的温度误差和湿度相对误差对比结果如图4 所示。

图4 在不同结构防雨帽下太阳辐射引起的误差对比

仔细观察图4 不难发现，直径14 mm的圆柱防雨帽的误差最小，直径40 mm的半球形防雨帽的误差最大。由于太阳辐射引起的误差与太阳辐射照射的等效面积有直接关系，比较不同结构的防雨帽时，尺寸要相当，如果尺寸相差较大就没有比较的意义，故增加了23 mm的圆柱形防雨帽（简称测量系统D）和23 mm的半球形防雨帽（简称测量系统E）两种结构模型进行间接对比。同一结构的防雨帽，尺寸越大，误差越大，如D比A误差大；B 比E 误差大。相同尺寸下，D比E误差大，即半球形防雨帽误差更小，原因是因为半球形防雨帽下方敞口大，有助于空气流通，所以误差较小，从这个角度，半球形防雨帽更优。由于湿度传感器的安装位置以及半球形里面空间的问题，导致同一湿度传感器采用圆柱形防雨帽和半球形防雨帽时，实际采用的半球形防雨帽的直径要比圆柱形防雨帽的直径大。如测量系统A、E，安装了同样的湿度传感器，此时所采用的半球形防雨帽直径已是极小值，经过比较发现，A的误差比E小，因此，结合实际安装情况，圆柱形防雨帽优于半球形防雨帽。比较常用的菱形防雨帽，尺寸相当的情况下，C的误差也比A大。综合以上各种情况，在采用尺寸较小的电容式湿度传感器时，圆柱形防雨帽是相对较优的方案。

2.3 太阳高度角的影响

探空仪在探空过程中，由于探空站的位置和探空时间不同，太阳高度角也不是固定的，不同防雨帽结构在不同太阳高度角下误差的区别，对比结果如图5（a）～（c）所示。

图5 各结构防雨帽在不同太阳高度角下的相对湿度误差

由图可见，菱形防雨帽和半球形防雨帽均在太阳高度角30°时误差最小，因为太阳高度角30°时等效照射面积最小；而圆柱形防雨帽在太阳高度角90°时最小，因为太阳高度角90°时，只有顶面的防雨帽接受太阳辐射，而其他太阳高度角，除了顶面还有侧面也受太阳辐射。

2.4 防水膜覆盖面积比较

根据3.2 不同结构防雨帽的比较发现，一般情况下，圆柱形防雨帽要优于其他结构的防雨帽，但是仍然存在较大的SRDB，为了进一步降低误差，拟将传统的防雨帽材料替换成防水透气膜。在圆柱形防雨帽的基础上，针对防水透气膜的替换位置不同构建以下3 种防雨帽模型。

（1）普通塑料材料防雨帽。

（2）圆柱形顶部采用防水透气膜材料（透气量1.5 L/（cm2·min），四周采用塑料材料。

（3）防雨帽整体材料均采用防水透气膜材料（透气量1.5 L/（cm2·min）。

仿真结果如图6 所示。

图6 不同覆盖面积的防水透气膜的相对湿度误差

3 种模型结构下SRDB 均随海拔的升高而升高。此外比较3 条曲线不难看出，采用防水透气膜后误差降低，且随着防水透气膜覆盖面积的增加，误差进一步下降。由图可见，采用防水透气膜的防雨帽之后，湿度测量的相对误差下降了2/3，海拔15 km以下，几乎下降为0；海拔32 km处，相对误差从51%下降为18%。这是因为在探空仪上升的过程中，防雨帽内部的温度在太阳辐射下升高，由于透气膜能够起到很好地透气效果，使得防雨帽内部与外部的空气得到充分交换，内部的温升量降低而使得误差降低。可见，采用防水透气膜对防雨帽材料进行优化设计，可以大大降低太阳辐射引起的湿度测量误差，提高湿度测量的准确度。

在上述仿真中，采用防水透气膜的防雨帽与传统塑料材料的防雨帽相比，显著降低了SRDB。防水透气膜材料的密度、吸热率、导热系数以及透气物理特性均与传统材料有所区别，到底是哪一个参数起决定性作用，为此设计一组对比试验，由于密度对误差影响较小，暂不作为比较，仅比较吸热率、导热系数以及透气物理属性进行对比分析。

（1）塑料材料防雨帽（吸热率为30%）；

（2）塑料材料防雨帽（将吸热率改为与防水透气膜材料同样的27%吸热率）；

（3）将密度、导热系数以及比热容均设置为防水透气膜所具有的参数，但采用固态（solid）结构；

（4）防水透气膜外壳设置为流体域（fluid）以模拟多孔介质（Porous zone）结构。

仿真结果如图7 所示，仅改变吸热率，或同时改变导热系数和密度，均不能显著减小相对湿度误差，真正起到显著效果的是防水透气膜的透气这一物理属性，采用不同透气量的透气膜进行仿真对比，得知随着透气量逐渐增加，SRDB 得到有效降低，当透气量达1.5 L/（cm2·min）以上时，对SRDB 的优化效果达到最高。

图7 防水透气膜材料适用性验证

2.5 防雨特性

探空仪湿度测量系统的防雨帽顾名思义是为了防雨的，这是因为在探空仪升空过程中，会遇到雨滴和云滴，它们如果沾到湿度传感器上，会导致湿度测量失效。防雨帽除了防雨这个主要功能外，还可以防尘、防油污、保护内部传感器单元等功能。不同结构防雨帽的防雨效果如何，可通过Fluent 模拟探空仪穿过雨云环境进行仿真。由于雨滴和云滴下落体积率均小于10%，可进行离散相计算，选用DPM 模型（Discrete Phase Model）［14-16］，对雨滴和云滴尺寸、滴落速度以及降雨总流量进行设定，降雨源设定为气流入口上方，分别模拟倒扣圆筒形、半球形以及贴合式菱形结构防雨帽在垂直状态的防雨效果。

圆柱形防雨帽在垂直状态下实验结果如图8 所示。图8（a）为粒子轨迹；图8（b）为粒子速度矢量图。

由图8（a）可见，圆柱形防雨帽在垂直状态下降雨的动态模型，追踪的总雨滴数为587 个，其中粘附在防雨帽上的数量为6 个，说明基本都被挡在防雨帽之外。由粒子的速度矢量图可知防雨帽下方由于速度差，有部分雨滴被气流的湍流效应卷入防雨帽内部，可能会沾到湿度传感器上。可见，这种结构的防雨帽能够很好地起到防雨的效果。