探空濕度測量防雨帽優(yōu)化設(shè)計仿真研究

冒曉莉，趙雪偉，吳其宇，張加宏

（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京 210044）

0 引言

氣象觀測是氣象事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，對防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對氣候變化影響重大。相對濕度的高空探測是作為數(shù)值天氣預(yù)報模式分析初始化中使用的基本測量值之一，高空濕度探測主要是通過無線探空儀進(jìn)行直接測量。目前，各類無線探測儀都在探測臂安裝了不同類型的防雨帽，以防高空探測過程中濕度傳感器受到環(huán)境物質(zhì)的污染等情況對探測結(jié)果造成影響。若沒有防雨帽，濕度傳感器直接裸露在太陽輻射下，太陽的照射使得傳感器表面感濕膜的溫度高于周圍環(huán)境的溫度，導(dǎo)致濕度測量值偏干，也就是常說的太陽輻射偏干誤差（solar radiation dry bias，SRDB）［1-5］。防雨帽也能起到防太陽輻射的作用，其防輻射能力和防雨帽的尺寸和形狀有關(guān)。如GTS1-1 濕度測量系統(tǒng)采用的防雨帽尺寸較大，設(shè)計空氣流通性較好，相比傳感器直接暴露在太陽輻射下起到一定的防輻射效果。探空儀采用的防雨帽，在低空中起到一定的防輻射效果［6］，到了高空25 km時，防雨帽不僅起不到防輻射的作用，傳感器上的溫度甚至高于不帶防雨帽的情況，原因是高空氣流變得稀薄，防雨帽的形狀不利于空氣流通，導(dǎo)致防雨帽內(nèi)部由于太陽輻射的影響溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，飽和水汽壓降低，使得濕度測量值偏干。

目前世界主流無線探測儀如iMet-3200、GL-5000P、RS80 以及GTS1 型等均采用圓柱形防雨帽，也有例如Graw GE-E 型探空儀采用了貼合式菱形防雨帽，INC LMG6 型探空儀采用了大尺寸倒扣半球型防雨帽。為最大限度地降低防雨帽對濕度測量帶來的影響，需要對無線探空儀防雨帽的尺寸、材料和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

上述各類型探空儀防雨帽均采用了獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，本文對比現(xiàn)存不同形狀防雨帽的防雨效果和防輻射能力，得出結(jié)構(gòu)對比結(jié)論。為進(jìn)一步優(yōu)化防雨帽的空氣流通性效果，本研究將防水透氣膜材料［7］（膨體聚四氯乙烯expanded PTFE）應(yīng)用于無線探空儀的防雨帽結(jié)構(gòu)中。

1 研究方法及理論基礎(chǔ)

對3 種常用結(jié)構(gòu)的防雨帽進(jìn)行仿真對比，比較各結(jié)構(gòu)防雨帽下產(chǎn)生的SRDB 情況；對比采用傳統(tǒng)材料與防水透氣膜材料的防雨帽對SRDB 的影響；分析對比各結(jié)構(gòu)防雨帽的實際防雨效果。

1.1 濕度偏干誤差理論

探空儀在探空過程中，帶有防雨帽的濕度測量系統(tǒng)在太陽輻射的影響下，防雨帽內(nèi)部溫度升高，飽和水汽壓則隨之升高，導(dǎo)致濕度傳感器測量的相對濕度值出現(xiàn)SRDB。

電容式濕度傳感器上的感濕膜作為電容的介質(zhì)，感濕膜中水汽分子的含量影響介電常數(shù)，從而改變電容，即通過測量電容可獲得空氣的相對濕度值。相對濕度RH，是大氣中的實際水汽壓e與飽和水汽壓E的比值：RH=（e/E）×100%。飽和水汽壓E與溫度直接相關(guān)，溫度越高，飽和水汽壓越大。當(dāng)空氣中的水汽壓e保持不變，溫度升高，飽和水汽壓也會隨之變大，相對濕度就會變小。當(dāng)探空儀在高空某一高度下，假設(shè)大氣環(huán)境溫度為T0，因太陽輻射加熱效應(yīng)導(dǎo)致濕度傳感器表面溫度升至T1，感濕膜周圍的大氣升溫前后的飽和水汽壓值分別為E（T0）和E（T1）。若當(dāng)前水汽壓值為e，則相對濕度為：

因太陽輻射引起升溫后大氣飽和水汽壓值為E（T1），這時傳感器測得的相對濕度為：

由此可見，太陽輻射引起的濕度相對誤差為：

可見，太陽輻射引起的濕度測量偏干相對誤差er與E（T0）和E（T1）有關(guān)，而T1=T0+ΔT，所以，相對誤差er與ΔT直接相關(guān)。探空儀上溫度傳感器和濕度傳感器提供的是環(huán)境溫度T0和相對濕度RH1，若能得到太陽輻射下濕度傳感器的溫升ΔT的值，便可通過式（3）得知大氣實際的相對濕度RH0，即對探空儀測量的濕度廓線進(jìn)行太陽輻射誤差修正。

1.2 建模與仿真

研究不同防雨帽結(jié)構(gòu)模型對濕度測量誤差的影響。對市面上常用探空儀的防雨帽進(jìn)行歸類，主要對比了以下3 種防雨帽結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 3種不同結(jié)構(gòu)防雨帽

在模擬仿真中，以上述3 種模型為基礎(chǔ)，對模型的尺寸、材料進(jìn)行改變，對比研究不同條件下太陽輻射所帶來的濕度測量偏干誤差，給防雨帽的優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)依據(jù)［8］。

基于模擬仿真對探空濕度測量系統(tǒng)的防雨帽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的方案如圖2 所示。

圖2 研究方案

在三維建模軟件Pro/E 中構(gòu)建濕度測量系統(tǒng)，包括防雨帽、濕度傳感器、支架。通過ICEM軟件對濕度測量系統(tǒng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，優(yōu)化網(wǎng)格劃分方案，直至網(wǎng)格符合計算要求。通過計算流體動力學(xué)（CFD）軟件Fluent仿真［8-11］，模擬高空環(huán)境獲得濕度測量系統(tǒng)在不同模型情況下的溫度場、濕度場以及云雨滴軌跡。綜合對比不同材料、結(jié)構(gòu)的防雨帽對濕度測量的偏干誤差的影響，再結(jié)合防雨帽的防雨效果對防雨帽提出優(yōu)化方案。

1.3 防雨帽材料

擬采用防水透氣膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的防雨帽材料。防水透氣膜（膨體聚四氯乙烯expanded PTFE），是一種新型的醫(yī)用高分子材料。防水透氣膜最主要的特性在于能夠通過水蒸氣分子，對于液態(tài)水，由于粒子顆粒較大，在水珠表面張力的作用下，液態(tài)水無法透過防水透氣膜。該防水透氣膜還具有平衡壓差、散熱、耐高低溫且材料強度大等特點，最重要的是該防水透氣膜具有良好的隔熱性［9-13］，這對于降低防雨帽內(nèi)部溫度，減少偏干誤差有著積極的效果。

在使用Fluent 時，通常對防雨帽的材料設(shè)置是塑料固態(tài)（solid）外殼，為在仿真過程中模擬出防水透氣膜，在本實驗中的主要物理特性，即高分子微孔結(jié)構(gòu)帶來的透氣性，需將構(gòu)成防雨帽的防水透氣膜外殼設(shè)置為流體域（fluid）以模擬多孔介質(zhì)（Porous zone）結(jié)構(gòu)。對于透氣量的設(shè)定需要對Porous zone 中阻力參數(shù)（inertial resistance）進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)防水透氣膜材料的透氣量：1.5～3 L/（cm·min），代入多孔介質(zhì)動量公式

式中：μ為空氣黏度，約為1.789 4 ×10-2Pa·s；v為風(fēng)速（m/s）。將透氣量1.5 L/（cm·min）轉(zhuǎn)換為風(fēng)速v即為0.25 m/s，根據(jù)式（4）即可得出1/α=1.565 ×109，將此數(shù)值設(shè)置為多孔介質(zhì)中的阻力參數(shù)。

2 仿 真

研究探空儀所處不同海拔以及不同尺寸防雨帽對濕度測量的SRDB 的影響；通過比較不同結(jié)構(gòu)防雨帽在相同情況下的SRDB，研究防雨帽結(jié)構(gòu)對其的影響；采用防水透氣膜構(gòu)成防雨帽，對比傳統(tǒng)材料防雨帽的SRDB差異性，研究防雨帽材料對SRDB 的影響；研究各結(jié)構(gòu)防雨帽在降雨條件下的防雨效果。綜合防雨帽的防雨和防輻射效果，對防雨帽的結(jié)構(gòu)尺寸和材料提出優(yōu)化設(shè)計方案。

2.1 誤差與防雨帽尺寸的關(guān)系

以半球形防雨帽為例，分別取3 種不同尺寸為建模對象，其直徑依次為40（LMG6 型探空儀）、30 以及23 mm（根據(jù)濕度傳感器的尺寸大小，防雨帽尺寸最小情況），比較這3 種尺寸防雨帽構(gòu)成的探空儀模型在海拔高度H=0～32 km 范圍、太陽高度角為90°下的相對濕度誤差情況，其對比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 防雨帽尺寸對相對濕度誤差的影響

由圖3 不難看出，濕度相對誤差隨海拔的升高而增加，原因是海拔越高，太陽輻射越強，空氣越稀薄導(dǎo)致空氣的流通性減弱，防雨帽內(nèi)外溫升量變大，濕度相對誤差增加；相同尺寸下采用防水透氣膜的防雨帽防輻射效果更好。對比同一材料下的防雨帽濕度測量系統(tǒng)模型，直徑越小時濕度的相對誤差越低，這是因為太陽高度角90°的情況下，直徑越小，受太陽輻射的等效面積越小，防雨帽內(nèi)的溫升量越低，所以濕度的相對誤差越低。這個結(jié)論對于傳統(tǒng)材料的防雨帽和新型材料的防雨帽同樣適用。

2.2 結(jié)構(gòu)對比

常用探空儀的濕度傳感器有電容式和電阻式兩種，由于電阻式傳感器尺寸較大，故防雨帽尺寸也較大，如探空儀GTS1 上采用的方形防雨帽（尺寸為170 mm×87 mm×47.5 mm）；電容式濕度傳感器尺寸相比電阻式小很多，一般采用圓柱形（RS80，簡稱測量系統(tǒng)A）、半球形（LMG6 型，簡稱測量系統(tǒng)B）以及貼合式菱形（Graw GE-E型，簡稱測量系統(tǒng)C）這3 種不同結(jié)構(gòu)防雨帽，3 種防雨帽下太陽輻射引起的溫度誤差和濕度相對誤差對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 在不同結(jié)構(gòu)防雨帽下太陽輻射引起的誤差對比

仔細(xì)觀察圖4 不難發(fā)現(xiàn)，直徑14 mm的圓柱防雨帽的誤差最小，直徑40 mm的半球形防雨帽的誤差最大。由于太陽輻射引起的誤差與太陽輻射照射的等效面積有直接關(guān)系，比較不同結(jié)構(gòu)的防雨帽時，尺寸要相當(dāng)，如果尺寸相差較大就沒有比較的意義，故增加了23 mm的圓柱形防雨帽（簡稱測量系統(tǒng)D）和23 mm的半球形防雨帽（簡稱測量系統(tǒng)E）兩種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行間接對比。同一結(jié)構(gòu)的防雨帽，尺寸越大，誤差越大，如D比A誤差大；B 比E 誤差大。相同尺寸下，D比E誤差大，即半球形防雨帽誤差更小，原因是因為半球形防雨帽下方敞口大，有助于空氣流通，所以誤差較小，從這個角度，半球形防雨帽更優(yōu)。由于濕度傳感器的安裝位置以及半球形里面空間的問題，導(dǎo)致同一濕度傳感器采用圓柱形防雨帽和半球形防雨帽時，實際采用的半球形防雨帽的直徑要比圓柱形防雨帽的直徑大。如測量系統(tǒng)A、E，安裝了同樣的濕度傳感器，此時所采用的半球形防雨帽直徑已是極小值，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，A的誤差比E小，因此，結(jié)合實際安裝情況，圓柱形防雨帽優(yōu)于半球形防雨帽。比較常用的菱形防雨帽，尺寸相當(dāng)?shù)那闆r下，C的誤差也比A大。綜合以上各種情況，在采用尺寸較小的電容式濕度傳感器時，圓柱形防雨帽是相對較優(yōu)的方案。

2.3 太陽高度角的影響

探空儀在探空過程中，由于探空站的位置和探空時間不同，太陽高度角也不是固定的，不同防雨帽結(jié)構(gòu)在不同太陽高度角下誤差的區(qū)別，對比結(jié)果如圖5（a）～（c）所示。

圖5 各結(jié)構(gòu)防雨帽在不同太陽高度角下的相對濕度誤差

由圖可見，菱形防雨帽和半球形防雨帽均在太陽高度角30°時誤差最小，因為太陽高度角30°時等效照射面積最小；而圓柱形防雨帽在太陽高度角90°時最小，因為太陽高度角90°時，只有頂面的防雨帽接受太陽輻射，而其他太陽高度角，除了頂面還有側(cè)面也受太陽輻射。

2.4 防水膜覆蓋面積比較

根據(jù)3.2 不同結(jié)構(gòu)防雨帽的比較發(fā)現(xiàn)，一般情況下，圓柱形防雨帽要優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)的防雨帽，但是仍然存在較大的SRDB，為了進(jìn)一步降低誤差，擬將傳統(tǒng)的防雨帽材料替換成防水透氣膜。在圓柱形防雨帽的基礎(chǔ)上，針對防水透氣膜的替換位置不同構(gòu)建以下3 種防雨帽模型。

（1）普通塑料材料防雨帽。

（2）圓柱形頂部采用防水透氣膜材料（透氣量1.5 L/（cm2·min），四周采用塑料材料。

（3）防雨帽整體材料均采用防水透氣膜材料（透氣量1.5 L/（cm2·min）。

仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同覆蓋面積的防水透氣膜的相對濕度誤差

3 種模型結(jié)構(gòu)下SRDB 均隨海拔的升高而升高。此外比較3 條曲線不難看出，采用防水透氣膜后誤差降低，且隨著防水透氣膜覆蓋面積的增加，誤差進(jìn)一步下降。由圖可見，采用防水透氣膜的防雨帽之后，濕度測量的相對誤差下降了2/3，海拔15 km以下，幾乎下降為0；海拔32 km處，相對誤差從51%下降為18%。這是因為在探空儀上升的過程中，防雨帽內(nèi)部的溫度在太陽輻射下升高，由于透氣膜能夠起到很好地透氣效果，使得防雨帽內(nèi)部與外部的空氣得到充分交換，內(nèi)部的溫升量降低而使得誤差降低。可見，采用防水透氣膜對防雨帽材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以大大降低太陽輻射引起的濕度測量誤差，提高濕度測量的準(zhǔn)確度。

在上述仿真中，采用防水透氣膜的防雨帽與傳統(tǒng)塑料材料的防雨帽相比，顯著降低了SRDB。防水透氣膜材料的密度、吸熱率、導(dǎo)熱系數(shù)以及透氣物理特性均與傳統(tǒng)材料有所區(qū)別，到底是哪一個參數(shù)起決定性作用，為此設(shè)計一組對比試驗，由于密度對誤差影響較小，暫不作為比較，僅比較吸熱率、導(dǎo)熱系數(shù)以及透氣物理屬性進(jìn)行對比分析。

（1）塑料材料防雨帽（吸熱率為30%）；

（2）塑料材料防雨帽（將吸熱率改為與防水透氣膜材料同樣的27%吸熱率）；

（3）將密度、導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱容均設(shè)置為防水透氣膜所具有的參數(shù)，但采用固態(tài)（solid）結(jié)構(gòu)；

（4）防水透氣膜外殼設(shè)置為流體域（fluid）以模擬多孔介質(zhì)（Porous zone）結(jié)構(gòu)。

仿真結(jié)果如圖7 所示，僅改變吸熱率，或同時改變導(dǎo)熱系數(shù)和密度，均不能顯著減小相對濕度誤差，真正起到顯著效果的是防水透氣膜的透氣這一物理屬性，采用不同透氣量的透氣膜進(jìn)行仿真對比，得知隨著透氣量逐漸增加，SRDB 得到有效降低，當(dāng)透氣量達(dá)1.5 L/（cm2·min）以上時，對SRDB 的優(yōu)化效果達(dá)到最高。

圖7 防水透氣膜材料適用性驗證

2.5 防雨特性

探空儀濕度測量系統(tǒng)的防雨帽顧名思義是為了防雨的，這是因為在探空儀升空過程中，會遇到雨滴和云滴，它們?nèi)绻吹綕穸葌鞲衅魃希瑫?dǎo)致濕度測量失效。防雨帽除了防雨這個主要功能外，還可以防塵、防油污、保護(hù)內(nèi)部傳感器單元等功能。不同結(jié)構(gòu)防雨帽的防雨效果如何，可通過Fluent 模擬探空儀穿過雨云環(huán)境進(jìn)行仿真。由于雨滴和云滴下落體積率均小于10%，可進(jìn)行離散相計算，選用DPM 模型（Discrete Phase Model）［14-16］，對雨滴和云滴尺寸、滴落速度以及降雨總流量進(jìn)行設(shè)定，降雨源設(shè)定為氣流入口上方，分別模擬倒扣圓筒形、半球形以及貼合式菱形結(jié)構(gòu)防雨帽在垂直狀態(tài)的防雨效果。

圓柱形防雨帽在垂直狀態(tài)下實驗結(jié)果如圖8 所示。圖8（a）為粒子軌跡；圖8（b）為粒子速度矢量圖。

由圖8（a）可見，圓柱形防雨帽在垂直狀態(tài)下降雨的動態(tài)模型，追蹤的總雨滴數(shù)為587 個，其中粘附在防雨帽上的數(shù)量為6 個，說明基本都被擋在防雨帽之外。由粒子的速度矢量圖可知防雨帽下方由于速度差，有部分雨滴被氣流的湍流效應(yīng)卷入防雨帽內(nèi)部，可能會沾到濕度傳感器上。可見，這種結(jié)構(gòu)的防雨帽能夠很好地起到防雨的效果。

圖8 圓柱形防雨帽的防雨效果

采用同樣的方法分析了菱形和半球形防雨帽的防雨效果，模擬仿真的結(jié)果如圖9、10 所示。

圖9 菱形防雨帽的防雨效果

由仿真可知，菱形追蹤的總雨滴數(shù)為175 個，其中黏附在防雨帽上的數(shù)量為3 個；半球形防雨帽追蹤的總雨滴數(shù)為90 個，其中黏附在防雨帽上的數(shù)量為3個。由圖9（b）、圖10（b）也均可看出有很少的部分粒子隨著氣流的湍流作用被卷入防雨帽內(nèi)部，但這不影響防雨帽的防雨大局。

圖10 半球形防雨帽的防雨效果

綜上可知，不同結(jié)構(gòu)的防雨帽在防雨效果上相差不大，均能起到防雨帽的主要功能——防雨。

3 結(jié)語

本文從探空儀濕度測量的防雨帽優(yōu)化設(shè)計出發(fā)，研究了圓柱形、半球形以及貼合式菱形3 種不同結(jié)構(gòu)防雨帽的防雨和防輻射效果，得到以下結(jié)論：

（1）探空儀上不同結(jié)構(gòu)、不同材料構(gòu)成的防雨帽下，探空儀濕度測量的SRDB均隨海拔的升高而增加；

（2）SRDB與防雨帽的尺寸有關(guān)，尺寸越大，等效輻射面積越大，SRDB越大；

（3）對于同一尺寸的濕度傳感器，圓柱形防雨帽的SRDB明顯低于其他兩種防雨帽；

（4）采用防水透氣膜后的防雨帽，濕度測量的SRDB顯著降低；

（5）不同結(jié)構(gòu)不同材料的防雨帽均可以起到很好的防雨效果。

綜上所述，圓柱形防雨帽明顯優(yōu)于其他2 種結(jié)構(gòu)的防雨帽，且采用防水透氣膜（透氣量達(dá)到1.5 L/（cm2·min）以上即可）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的防雨帽材料后，可以最大限度地降低探空儀濕度測量的SRDB。