探空温度传感器太阳辐射误差的计算流体力学分析与微型化设计研究

It is proposed in this project that computational fluid dynamics (CFD) methods be used to tackle the problem of radiation heating errors of radiosonde temperature sensors. Model establishing, meshing, problem solving, and post processing are to be studied. A number of factors will be considered, including the reflectivity of the coating, solar elevation angle, radiosonde speed, lateral movement, radiosonde spinning, sensor size, sensor shape, sensor material properties, wires and other mechanical structural parameters. After numerical solutions of the radiation error are obtained, a series of radiation error correction equations may be established. In addition, the transient analysis will provide solutions for delay errors. The proposed method may provide a tool to improve weather forecast and climate research. It may also help improve the calibration references for satellite remote sensing of upper air temperature. The design of a micro-chip based radiosonde temperature sensor with miniaturized size is also provided in the project. In the project the signal processing circuits for this sensor will be accomplished. CFD simulation is used in the design modification of the sensor chip, air flow, the wire and the support structure on the radiosonde. Micro/nano fabrication technologies are used to produce this sensor. E-beam evaporation and magnetron sputtering are to be employed to produce a high-reflective thin film on the surface of the sensor. The solor reflectivity of this design is targeted to be greater than 95%. The sea leval and 10hPa radiation error are designed to be less than 0.04K and 0.1K, respectively. Vacuum champer tests and multi-sensor sounding experiments are to be performed to verify the performance of this new device.

提出用计算流体动力学（CFD）方法对多种探空温度传感器进行太阳辐射误差分析的新方法。研究建模、网格划分、求解和后处理。考虑多种变化因子，包括：涂层反射率、太阳高度角、上升速度、摆动、自旋、传感器形状尺寸、材料特性、引线支架尺寸和材料等，得出辐射误差，拟合出各种传感器的订正曲线族。该项目利用瞬态分析获得各传感器在不同大气条件下的迟滞特性。此方法可为预报和气候研究提供降低辐射误差的温度数据，有望为改善卫星遥感大气温度垂直分布的精度提供参考。项目还将设计、制备微型探空温度传感器芯片及测控系统。采用CFD方法对传感器及引线、支架和气流进行建模、分网和仿真，实现对传感器的设计优化。利用微纳米工艺制备芯片，利用电子束蒸发和磁控溅射在芯片表面制备高反射率膜。传感器指标：反射率≥95%，地面辐射误差≤0.04K，10hPa高空辐射误差≤0.1K。实施真空试验箱模拟测试和探空仪同球释放对比测试检验效果。

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高，希望探空温度传感器观测精度提高到0.1 K量级，但辐射误差已成为制约观测精度提高的瓶颈问题。由于探空温度传感器所处的物理环境复杂，其热平衡方程需要耦合求解内部导热、外部强制对流换热和辐射换热，目前研究学者提出的理论分析和实验方法难以解决此类传热耦合问题。因此，多物理场导热对流辐射传热耦合情况下的探空温度传感器传热特性，是本项目研究工作的重点。本项目应用计算流体动力学方法建立探空温度传感器多物理场耦合模型，利用麦夸特算法拟合辐射误差修正方程，研制了一种具有低辐射误差的新型探空温度传感器，并搭建用于模拟辐射误差实验平台。本项目具体成果主要包括：.（1）提出运用计算流体动力学方法对探空温度传感器进行太阳辐射误差分析，通过建模、网格划分、稳态热分析、瞬态热分析、通用后处理以及考虑多个变化因子：涂层反射率、太阳高度角、探空仪飞行速度、姿态、摆动、自旋、传感器形状尺寸、传感器材料特性等，求解出太阳辐射误差，并拟合出针对各种传感器的订正曲线族。.（2）应用麦夸特算法拟合了多个可针对两变量变化的辐射误差修正方程，实现一种新的太阳辐射误差数值计算和修正方法。在此基础上，开发了探空温度传感器辐射误差修正软件。并有望用于探空温度传感器辐射误差的实时修正和历史修正，为数值天气预报与气候变化研究提供更低辐射误差的高空温度观测资料。.（3）设计并制备具有低辐射误差的微型探空温度传感器及其测控电路系统，包括高反射率微型传感器探头、nV级噪声的电位差计式电桥测量电路、具有辐射误差修正能力的信号处理系统等部分。相比于传统珠状热敏电阻在20 km时的太阳辐射误差达0.5 ~ 0.6 K，微型探空温度传感器在20 km时的太阳辐射误差为0.265 K，并结合辐射修正方程可将辐射误差降低到0.1 K以内。.（4）为验证计算流体动力学方法、麦夸特算法和辐射误差修正方程的准确性和有效性，设计了低气压风洞和太阳模拟器，提出了一种可耦合低气压和强制对流换热环境的实验方法，并利用高低温低气压实验箱、高强度LED光源、旋转控制系统、信号处理系统、无线通讯系统搭建了可用于模拟探空温度传感器辐射误差的实验平台，实现了对不同太阳辐射强度和海拔高度下太阳辐射误差的实验测量。