单屏温度传感器内部流场数值模拟研究

　　引言

　　在航空航天领域中，气流温度测量作为航空发动机设计、试验以及使用过程中最重要的参数之一，引起了人们极大的兴趣和重视。单屏温度传感器被普遍用来减小测量气流温度时的误差。本文之所以选择单屏温度传感器作为研究对象，是出于以下几个原因：第一，单屏温度传感器相比于其他结构的传感器应用更广泛，因而课题更具有普遍意义和实用价值;第二，对单屏温度传感器进行数值模拟具有一定的代表性，从该结果可以类推以及预测其它类型传感器内部流场的状况。

　　目前国内通行的做法是在校准风洞上对传感器进行校准，但是试验费用昂贵以及无法完全模拟使用情况(如超高温、高压等)是试验方法的主要缺陷，而且试验只能在传感器设计制作完成后进行，使得研制周期长、费用高。本课题针对单屏温度传感器，采用数值模拟的方法对内部流场进行研究，为此类传感器的设计、使用以及改进提供理论基础，旨在缩短该类型传感器的研制周期，减少研制费用。

　　1 数值模拟方法

　　1.1 基本方程与模型

　　CFD算法为时问推进的有限体积方法，控制方程选用一般曲线坐标系下的动量守恒形式的N—S方程，为提高收敛速度和求解精度，离散选项中流动格式选用耦合隐式稳态的二阶迎风格式，离散湍流动量和湍流耗散率均采用Quick格式。湍流模型选用广泛使用的重组化群(RNG)K一 二方程模型。

　　1.2 计算网格

　　本文的数值模拟研究对象是单屏温度传感器的头部进气流的位置，使用数值模拟的方法对单屏温度传感器内部流场进行理论研究。图1为单屏温度传感器示意图。由于该计算区域的结构复杂，采用了适应性较强的非结构化四面体网格划分技术。图2为本文计算所用的网格图，其中靠近左端倒置的“U” 型结构是传感器中偶丝所处位置，同时对靠近传感器壁面附近的区域进行了网格加密。整个传感器头部的网格节点总数约为11.5万个，单元总数约为61.5万个。

　　1.3 流动条件和边界条件

　　在本文的研究中，基准模型具体结构尺寸及工作参数由文献[3]给出，选择某型单屏温度传感器作为研究对象。经过简化，本文计算的是一个在进出口边界条件下的腔内气流扰流问题。数值模拟的物理外形主要部分为一个圆柱体，如图1所示，在圆柱体上右端紧挨的两处为气流压力进口，左端的为气流压力出口。本文假定载体气体为空气，初始状态进口总压P = 104338 Pa，总温T =300 K，气流马赫数为Ma：0.2，空气的绝热指数k=1.4，进口截面积A=25.12 X 10m ，试验时的大气压强P =0.98×10 Pa。根据实验和经验，压力入口处的压力取为总压，而压力出口处的压力取为静压。物面为无滑移边界条件，壁面温度假定为常数H J。通过大量试验可知，影响单屏温度传感器内流场的主要因素之一是压力入口的马赫数。本文的主要研究内容是改变人口气流的马赫数为Ma=0.4和0.6，观察改变马赫数后对单屏温度传感器内部流场的影响。