摘要：我國在大部分地區(qū)建立的基本氣象站在風(fēng)速風(fēng)向采集時一般使用風(fēng)杯式風(fēng)向風(fēng)速儀的測風(fēng)裝置，但是在一些高濕度、低溫以及風(fēng)沙較大等氣候惡劣的地區(qū)氣象站，由于風(fēng)杯式風(fēng)向風(fēng)速儀存在旋轉(zhuǎn)件，同時存在磨損損耗，故而易被風(fēng)沙損耗，同時易受冰凍、雨雪的干擾，從而影響風(fēng)相關(guān)參數(shù)的采集，需定期維護。

　　關(guān)鍵詞：固態(tài)測風(fēng)裝置；CFD分析

　　引言：

　　對固態(tài)測風(fēng)裝置的空氣動力學(xué)研究主要有三種方法，即風(fēng)洞實驗、理論分析和計算流體動力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）分析。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算流體動力學(xué)相對于實驗和理論計算具有成本低、周期短等特點，因此受到越來越廣泛的應(yīng)用。CFD方法對于預(yù)測和改進固態(tài)測風(fēng)裝置的氣動性能，指導(dǎo)固態(tài)測風(fēng)裝置的產(chǎn)品設(shè)計具有重要意義。故本文采用大型商業(yè)化CFD軟件的FLUENT對固態(tài)測風(fēng)裝置的外流場進行數(shù)值仿真分析。

　　1固態(tài)測風(fēng)裝置的空氣動力學(xué)特性與CFD理論基礎(chǔ)

　　1.1固態(tài)測風(fēng)裝置的空氣動力學(xué)特性

　　本文所要進行空氣動力學(xué)研究的固態(tài)測風(fēng)裝置有兩種結(jié)構(gòu)，一種是“蘑菇狀”的固態(tài)測風(fēng)裝置，一種是“棒狀”的固態(tài)測風(fēng)裝置。“蘑菇狀”固態(tài)測風(fēng)裝置的壓力采集區(qū)域位于固態(tài)測風(fēng)裝置頂端的“鐵餅狀”四周，每隔45度共計8個壓力采集口，壓力采集口呈孔形；“棒狀”的固態(tài)測風(fēng)裝置的壓力采集區(qū)域位于“棒狀”結(jié)構(gòu)件的2/3處，壓力采集口呈“細縫”形。

　　固態(tài)測風(fēng)裝置在采集風(fēng)參數(shù)時，外形結(jié)構(gòu)與流場相互作用后通常會產(chǎn)生兩種流場區(qū)域，一種是風(fēng)經(jīng)過固態(tài)測風(fēng)裝置的迎風(fēng)面和兩側(cè)時所產(chǎn)生的流場，多以層流為主，流場穩(wěn)定；一種是風(fēng)經(jīng)過固態(tài)裝置后，在其尾部產(chǎn)生的流場，多以湍流為主，流場較為復(fù)雜，本文將這兩種區(qū)域的接觸處與固態(tài)測風(fēng)裝置壓力感受面的相交點稱作分離點。分離點所在的位置受風(fēng)速大小和固態(tài)測風(fēng)裝置外形結(jié)構(gòu)的影響。

　　1.2CFD理論基礎(chǔ)

　　計算流體動力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強大生命力的邊緣科學(xué)。

　　計算流體力學(xué)在最近20年中得到飛速的發(fā)展，除了計算機硬件工業(yè)的發(fā)展給他提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)外，還主要因為無論分析的方法或?qū)嶒灥姆椒ǘ加休^大的限制，例如由于問題的復(fù)雜性，既無法作分析解，也因費用昂貴而無力進行實驗確定，而CFD的方法正具有成本低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點。經(jīng)過一定考核的CFD軟件可以拓展實驗研究的范圍，減少成本昂貴的實驗工作量。

　　CFD軟件分析的整體工作分析流程，可以概括為：

　　1）建立控制方程。分析研究的物理問題，概括出其數(shù)學(xué)模型；

　　2）確定其初始條件及邊界條件。初始條件為所研究的對象在過程開始時刻求解變量的空間分布情況，邊界條件是指在運動邊界上方程組解應(yīng)該滿足的條件；

　　3）確定計算區(qū)域，劃分計算網(wǎng)格，生成計算節(jié)點。將控制方程離散的空間區(qū)域（所計算的區(qū)域），網(wǎng)格劃分過程就是將控制方程離散的過程；

　　4）建立離散方程，對初始條件和邊界條件離散化。此過程也是根據(jù)不同的離散化方法建立方程組的過程，把連續(xù)型的初始條件和邊界條件轉(zhuǎn)化為特定節(jié)點上的值；

　　5）離散初始條件和邊界條件，給定求解控制參數(shù)；

　　6）求解離散方程。給定合適的流體參數(shù)和湍流模型，通過數(shù)值方法求解方程；

　　7）判斷解是否收斂。當(dāng)達到指定收斂精度后才結(jié)束求解方程；

　　8）顯示和輸出計算結(jié)果。對所計算的結(jié)果通過壓力云圖、速度云圖和速度軌跡圖等合適的方式表達出來并顯示相應(yīng)結(jié)果。

　　本文進行計算流體力學(xué)研究所采用的軟件是ANSYS14中的FLUENT軟件，它可計算從不可壓縮（低亞音速）到輕度可壓縮（跨音速）直到高度可壓縮（超音速）流體的復(fù)雜流動問題。FlUENT本身所帶的物理模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測層流、過度流和湍流多種方式的傳熱和傳質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)，多相流和其他復(fù)雜現(xiàn)象。它可靈活地產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且能根據(jù)初步計算結(jié)果協(xié)調(diào)網(wǎng)格。

　　CFD在流體—壓力的仿真計算領(lǐng)域絕大部分應(yīng)用都集中于進行仿真對象外流場的數(shù)值模擬。目前，國內(nèi)外基于FlUENT進行的空氣動力學(xué)研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，經(jīng)驗證，通過CFD的模擬能夠準(zhǔn)確確定局部幾何形體的改變對空氣動力的影響，并能夠直接比較不同幾何形體設(shè)計的氣動性能。

　　2仿真結(jié)果和分析

　　通過CFD-POST后處理軟件，可對固態(tài)測風(fēng)裝置流場計算的結(jié)果進行可視化處理和壓力采集點設(shè)置進行壓力采集。本次對固態(tài)測風(fēng)裝置的流體仿真研究在進行仿真結(jié)果和分析時，在可視化處理方面，將作壓力和速度云圖的俯視圖和側(cè)視圖以及Streamline的等值體側(cè)視圖；在壓力采集方面，將根據(jù)兩種不同結(jié)構(gòu)的固態(tài)測風(fēng)裝置的壓力感受區(qū)域進行壓力特征點設(shè)置和取值，并作數(shù)據(jù)處理和壓力系數(shù)Cp的得出。

　　a）根據(jù)雷諾數(shù)計算公式Re=ρ*V*D/μ，“蘑菇狀”固態(tài)測風(fēng)裝置壓力感受區(qū)域的直徑D=0.18m,可以得出Re=V*1.962*10e4，再根據(jù)圓柱擾流得研究，亞臨界區(qū)間為Re=[300，300000]，可得出若想保持“蘑菇狀”固態(tài)測風(fēng)裝置所采壓力值在亞臨界區(qū)間，流體速度V應(yīng)在區(qū)間[0.015291，15.291]m/s。此次仿真的來流速度為5m/s，10m/s，30m/s，50m/s，60m/s，可以發(fā)現(xiàn)只有5m/s，10m/s兩個速度處在亞臨界區(qū)間內(nèi)，從“蘑菇狀”固態(tài)測風(fēng)裝置的速度云圖（俯視）也可以看出，當(dāng)速度在5m/s，10m/s時分離點較近，但從30m/s開始分離點逐漸向壓力感受區(qū)域兩側(cè)移動，直到60m/s風(fēng)速時，分離點已基本在壓力感受區(qū)域兩側(cè)（扇形區(qū)域角度接近180度）；

　　b）同理，“棒狀”固態(tài)測風(fēng)裝置壓力感受區(qū)域的直徑D=0.026m，Re=V*2.834*10e3，可以得出若想保持“棒狀”固態(tài)測風(fēng)裝置所采壓力值在亞臨界區(qū)間，流體速度V應(yīng)在區(qū)間[0.10586，105.86]，故對“棒狀”固態(tài)測風(fēng)裝置來說，此次仿真的流體速度均在亞臨界區(qū)間內(nèi)，從“棒狀”固態(tài)測風(fēng)裝置的速度云圖（俯視）也可以看出，分離點基本固定（夾角約90度）

　　3結(jié)論

　　應(yīng)用Solidworks、AutoCAD軟件和CFD軟件對固態(tài)測風(fēng)裝置的外流場進行建模和仿真模擬，相比于風(fēng)洞實驗和理論分析，可節(jié)約昂貴的費用并且縮短研究周期，同時不失理論的準(zhǔn)確性，是一個快速而行之有效的方法。此次數(shù)值分析仿真對兩種結(jié)構(gòu)固態(tài)測風(fēng)裝置的外流場特性進行了較精確的模擬，基本可以得出以下3個結(jié)論：

　　a）對于“蘑菇狀”固態(tài)測風(fēng)裝置，通過上文仿真可得，若在亞臨界區(qū)間內(nèi)，所測V=[0.015291，7.6453]m/s的范圍太小，故而不建議做外部兩側(cè)差壓采集的結(jié)構(gòu)設(shè)計改變，建立采取內(nèi)外差壓的方式進行壓力采集和風(fēng)參數(shù)解算；

　　b)同理，對于“棒狀”固態(tài)測風(fēng)裝置，可以做外部兩側(cè)差壓采集的結(jié)構(gòu)設(shè)計改變，但是在壓力槽的開取上應(yīng)結(jié)合圓柱擾流的理論進行設(shè)計；

　　c）本次數(shù)值仿真分析得出的壓力系數(shù)Cp值可作為后續(xù)風(fēng)洞實驗和現(xiàn)場實驗時軟件算法解算的系數(shù)參考。

　　作者梁躍東