基于流固耦合的氣流式水平姿態傳感器的研究

紀明明

(安徽郵電職業技術學院 安徽 合肥 230031)

0.引言

對于氣流式水平姿態傳感器傳感器核心工作原件的研究。以往一般采用簡化平面模型進行仿真計算， 來說明敏感元件內部的工作原理，此種計算方法只能簡單粗略的說明腔體內部的工作狀態，得到的計算結果不準確。 因此，要做到準確全面的計算結果，需要建立1：1 尺寸大小的敏感元件模型。

在眾多的耦合場分析方法中,流固耦合技術是一種比較先進的有限元分析計算方法,它是隨著計算傳熱學和流體力學的發展而發展起來的一種新的技術[1]。 基于流固耦合的分析方法,將傳感器敏感元件腔體和敏感元件內部的鉑絲以及二者之間的空氣, 這三個對象作為一個整體來考慮, 從而避免了確定這三者兩兩之間的接觸面復雜的邊界條件,更加準確的模擬了傳感器敏感元件的實際工作過程,得到的仿真計算結果更加的精確、全面。 本文采用了流固直接耦合的方法,計算敏感元件密閉腔體中氣流速度的分布狀況,說明該類傳感器的工作原理。

1.結構原理和物理模型

氣流式水平姿態傳感器的核心敏感元件主要包括兩部分，由兩根鉑絲和密閉腔體構成，鉑電阻絲作為一種性能優異的熱敏電阻，能夠在空氣中穩定工作不易被氧化，兩根熱敏電阻絲在水平放置的敏感元件密閉腔體中呈相對水平放置， 同時兩根鉑電阻絲接入信號檢測電路，即分別作為信號檢測電路中檢測電橋的臂，利用兩根鉑電阻絲作為熱敏電阻進入電路作為檢測臂，其自身阻值會隨著自身溫度的變化而發生相應變化，流經鉑電阻絲的電流也會發生相應改變，檢測電橋輸出一個相應的電壓或者電流信號。

密閉敏感元件內的兩根鉑電阻絲,起到的作用主要有兩個：(1)兩根鉑電阻絲作為檢測電橋的兩個臂,電阻絲兩端施加了恒定的工作電壓，所以產生電流流過電阻絲,由于電流的熱效應,鉑電阻絲自身會發熱,作為密閉腔體內的熱源,對密閉腔體內的空氣起到加熱作用,使得密閉腔體內的空氣產生對流,最終形成自然對流流場。 (2)鉑電阻絲作為熱敏電阻絲,由于熱敏電阻自身對溫度敏感,電阻絲的阻值會隨著自身溫度的變化而產生相應改變,當氣流式水平姿態傳感器密閉腔體姿態發生改變時,腔體內的對流場發生變化,流場的改變會使得鉑電阻絲的自身溫度發生相應變化,鉑電阻絲的阻值也會發生相應改變,并且兩根鉑絲同時又作為測量電路中檢測電橋的兩個臂,兩根鉑電阻絲自身阻值的變化結果會通過檢測電橋來輸出一個相對應的電壓或者電流信號。

2.分析方法

耦合場分析是將不相同的物理場分析進行組合起來，通過考慮不同物理場之間的相互作用，是一種多物理場分析方法。 如果一個物理場的輸入取決于另外一個物理場的分析結果，那么此種分析就是屬于耦合分析，不同物理場之間的耦合方法可以采用直接耦合法或者載荷轉移耦合法，如果只有一種分析，那就適用直接耦合法，包括所有物理場必須的自由度的耦合單元，不同物理場之間的耦合需要通過計算耦合單元所必須的矩陣和載荷矢量來實現。如果有兩種或者兩種以上的分析，則需要載荷轉移耦合法，這種耦合方法將一種場分析的結果作為下一個分析的載荷進行代入計算從而將不同的物理場耦合在一起。而在對不同的物理場的求解適用于不同的分析類型，因此物理場之間的耦合比較復雜。 針對計算的耦合場特點，我們采用直接耦合的分析方法。

采用流固直接耦合的分析方法分析鉑電阻絲與密閉腔體內部的氣體之間導熱。流固直接耦合共軛傳熱方法是將固體與流體看作一個整體來分析處理，我們將密閉腔體內的氣體與鉑電阻絲作為一個整體來考慮，把密閉腔體內的氣流流體和作為熱敏電阻絲的鉑電阻絲的固體二者的接觸邊界條件處理為內邊界條件。利用有限元仿真計算軟件自動計算這一界面的邊界條件，在后面的計算分析中就不在需要再施加復雜的邊界條件。采用此種方法在提高了計算準確度的同時也減少了計算的繁雜度，降低了計算量。

3.有限元方法求解

本文采用了ANSYS 有限元仿真計算軟件，ANSYS 有限元仿真計算軟件中包含的多物理場求解器可以適用于多物理場的耦合分析[2]，為耦合場的求解問題提供了精準、易于掌握的一種自動工具。 選用了采用流固共軛傳熱耦合三維單元CFD142 作為仿真計算單元。 密閉腔體內的氣體屬性，定義為空氣屬性，密閉腔體內部的兩根熱敏電阻絲定義為鉑絲材質的材料屬性，按1：1 尺寸大小建立密閉腔體元件的有限元模型，選用流體和固體區域通過共用節點進行連接耦合。 計算的邊界條件主要包括，設定密閉腔體的溫度恒定不變化，密閉腔體內的兩根鉑電阻絲通電，并設定電壓恒定。 在求解上的設置上，主要包括：設定傳熱分析類型，密閉腔體內的流體為不可壓縮流，采用湍流模型，以及相應的流體流動環境參數，求解的時間步長，一級求解的輸出步長。 最后進行求解計算。

4.計算結果與討論分析

經過有限元仿真軟件的計算得到計算結果，當敏感元件密閉腔體傾斜角度為0 度時即處于水平狀態時，計算得到如圖1 所示的密閉腔體內部的溫度場圖流場分布圖和如圖2 所示的密閉腔體內部流場相應的速度矢量圖。 由于設定密閉腔體表面溫度不變化，要想觀察密閉腔體內部的溫度場和流場則需要借助于有限元計算軟件的切片觀察功能，可以很方便得到密閉腔體內任一橫截面上的溫度場和流場的分布狀況云圖。

圖1 溫度場圖

圖2 速度矢量圖

根據得到的計算結果觀察分析，當密閉腔體水平放置時，即此時記腔體的傾斜度數為0 度，由于密閉腔體封閉，腔體表面設置為恒溫，因此密閉腔體表面溫度相同，兩根鉑電阻絲在通電的狀態下，由于電流的熱效應，兩根鉑電阻絲的自身溫度開始升高，同時對密閉腔體內的空氣起到加熱作用， 此時兩根鉑電阻絲作為密閉腔體內的熱源，鉑電阻絲表面周圍的空氣溫度開始升高，由于溫度的上升，空氣本身的動能會增大，密閉腔體內的空氣開始呈現溫度梯度，空氣向上產生運動，由于兩根鉑絲同時的加熱作用，腔體內部空氣產生對流，最終形成了一個相對穩定的空氣對流場，這時密閉腔體內的空氣流動方向總體呈豎直向上方向運動、并且在兩根鉑電阻絲的上方進行匯集，此時密閉腔體內的溫度場呈軸對稱分布狀態。熱敏電阻的表面氣體的流動速度是相等的，熱敏電阻絲的溫度穩定后，其自身電阻阻值不再發生變化。檢測電路中的檢測電橋的兩臂電壓相等，電橋處于平衡狀態，檢測電路的輸出電壓為零。

當氣流式水平姿態傳感器的自身姿態發生改變時，敏感元件密閉腔體不再處于水平狀態，即密閉腔體傾斜一定角度，密閉腔體傾斜角度為10 度時， 通過計算得到如下圖3 所示的敏感元件密閉腔體內一橫截面的溫度場圖流場分布圖和如圖4 所示的敏感元件密閉腔體內流場相應的速度矢量圖。

圖3 傾斜10°的溫度場云圖

圖4 傾斜10°的速度矢量圖

當密閉腔體發生傾斜，傾斜角度為10 度時，此時密閉腔體內的兩根鉑電阻絲相對高度發生了改變，密閉腔體內部的溫度場和空氣流場不再呈軸對稱分布，但是此時腔體內部的空氣運動方向仍然保持豎直向上，不隨密閉腔體的傾斜角度變化而發生變化，這是氣體擺的特性[3]。 流經兩根鉑電阻絲表面的空氣流速也不再相等，會產生一個差值。并且這個差值會隨著密閉腔體傾斜角度的增加而增大，當流體的動力學黏度、密度和熱傳導特性一定時，若熱電阻絲周圍流體的速度不同，流過熱敏電阻的電流也不同，從而引起熱敏電阻兩端的電壓也產生相應的變化[4]。由于兩根鉑電阻絲作為檢測電路中的測量電橋的臂，其自身溫度的變化使得其自身阻值發生相應改變， 檢測電橋失去平衡，電路輸出一個與密閉腔體傾斜角度相對應的電壓信號，實現敏感原件密閉腔體敏感角度變化的目的。

5.結論

本文使用了基于流固偶合的有限元分析方法，計算在基于流固耦合分析之上通過建立1：1 尺寸大小的氣流式水平姿態傳感器核心敏感元件的實體模型，利用有限元分析計算軟件分別計算了氣流式水平姿態傳感器敏感元件密閉腔體在水平狀態即傾斜角度為0 度和傾斜角度為10 度的狀態下的密閉腔體內部的溫度場和流場分布。 計算和分析結果表明：

(1)采用流固耦合的分析方法能更加直觀、更加實時地觀察整個分析過程，得到的計算結果更加實際、準確。能夠為傳感器敏感元件的設計提供一種有效和簡便的數值計算方法。

(2)敏感元件密閉腔體內的兩鉑電阻絲附近表面的空氣流動速度會隨著密閉腔體傾斜角度的改變而發生相應變化，產生差值，并且差值會隨著敏感元件腔體的傾斜角度的增加而增大，電橋失去平衡，檢測電路輸出一個與傾斜角度相對應的電壓信號。