“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境（BERL）课题组在《Physics of Fluids》上发表了标定航空航天舱室环境专用热球风速仪的方法，更加精准测量低压、微重力、微风速流场。一、题目
低压及模拟微重力条件下热球风速仪的理论与实验标定方法
Theoretical and Experimental Calibration of Hot-sphere Anemometers underLow-Pressure and Simulated Microgravity Conditions
二、作者
Jinhui Tang1（唐金辉）, Baolu Shi（史宝鲁）2, Tongyu Liu（刘桐宇）2, Hejiang Sun1,*（孙贺江）, Junjie Liu1（刘俊杰）, Ran Zhu（朱然）3
1.IAQ天津市重点实验室，环境科学与工程学院，天津大学，天津三、研究亮点
- 建立了“地面低压实验-微重力强迫对流”之间的理论关联；
- 搭建了面向“低压+微风速”的紧凑型标定系统，并实现较高标定精度；
- 揭示了低压下的风速“衰减规律”，并建立可跨压力预测的经验标定模型。
四、摘要
热球风速仪在太空微重力和低压环境下由于自然对流换热消失，会产生显著的测量偏差，需要重新标定。本研究结合传热理论与地面实验，搭建了一套紧凑型低压微风速风洞标定系统。基于Gr/Re²判据和Kn数分析，验证了在40 kPa条件下流动仍处于连续介质流动区间。此外，当风速超过0.097 m/s时，浮力诱导的自然对流可得到充分抑制，表明将地面标定结果外推至微重力相关的强迫对流条件具有可行性。结果表明，在不同大气压条件下，探头的初始测量误差达到19.84%。重新标定后，相关系数（R²）提高至0.9993，扩展不确定度范围为0.036-0.039 m/s。在低压条件（90-40 kPa）下，测得风速呈衰减趋势，相对于标准大气压的最大衰减率达到66.02%。尽管在参考工况下，热辐射仅占总散热量的4.5%，但其相对贡献在低压和微风速条件下会有所增加，因此本文将其作为次要散热途径加以考虑。在忽略导线导热损失的条件下，对能量守恒方程进行修正，并建立以强迫对流为主导的经验标定关联式，将剩余热损失效应综合包含在拟合系数中。该关联式可利用大气压条件下的基准标定数据，在标定范围内估算低压条件下的风速，预测误差小于10%。本研究为微重力低压环境下热球标定提供了一种有效方法。五、主要成果
1、建立微重力相关低压环境下热球风速仪的理论标定基础。通过Gr/Re²判据和Kn数分析，明确了地面实验模拟微重力强迫对流的适用条件：当风速高于0.097 m/s时，自然对流影响可充分抑制；即使压力降低至40 kPa，气体仍处于连续流动区间，为地面标定结果应用于微重力相关环境提供了理论依据。Fig.1. Schematic diagram of the structure of the hot-sphere anemometer.Fig. 2. Hot-sphere anemometervelocity at atmospheric pressure and reference velocity.2、搭建了一套低压微风速热球风速仪标定系统，以实现高精度可靠标定。搭建了紧凑型低压低速风洞，测试截面风速相对偏差控制在1%以内。热球风速仪在大气压下重新标定后，拟合相关系数达到R²=0.9993，标定系统扩展不确定度为 0.036-0.039 m/s，验证了系统的可靠性与工程适用性。Fig. 3. Experimental system schematic diagram.Fig.4. Wind velocity curves of hot-sphere anemometer at differentwindward angles.3、揭示低压环境下的风速测量衰减规律，并建立了跨压力预测模型。随着环境压力降低，热球风速仪示值显著衰减，在40 kPa下平均衰减率达到66.02%，且微风速下衰减更明显；在此基础上建立了压力相关经验标定模型，可仅利用大气压基准标定数据预测低压环境下的风速，在独立的58 kPa工况验证中，预测误差控制在10%以内。(a)(b)Fig. 5. (a)Hot-sphere anemometervoltagesignal calibration curve at low-pressure, (b) Hot-sphere anemometervoltage signal calibration curve at low-pressure and low speed.Fig.6. Fitted and measured curves at 58 kPa.六、结论
本研究结合传热模型与地面实验，对热球风速仪在微重力相关、低压及微风速条件下进行了标定。主要结论如下：（1）Gr/Re²判据和Kn数分析表明，当压力降低至40 kPa时，气体流动仍处于连续介质流动区间；当风速高于0.097 m/s时，浮力诱导的自然对流能够得到充分抑制。热辐射总体上仍属于次要散热途径，但其相对贡献在低压和微风速条件下有所增加，因此其影响被综合考虑在经验标定系数中；（2）构建了一套紧凑型标定系统，在验证工况下，其测试截面的相对速度偏差低于1%。在大气压条件下，风速仪的初始测量误差为 19.84%。重新标定后得到高精度标定方程：u = 0.4484V - 0.0006，其相关系数R² = 0.9993；（3）在六种低压工况下的标定结果表明，风速测量值存在显著衰减。与101 kPa基准压力相比，当环境压力分别为 90、80、70、60、50 和40 kPa时，相对平均风速衰减率分别为12.12%、23.47%、34.17%、45.17%、55.77%和66.02%。其中，微风速条件下的衰减现象尤为显著；（4）该标定系统的扩展不确定度为 0.036-0.039 m/s，表明其具有良好的测量可靠性。在以强迫对流为主导的传热分析框架基础上，建立了与压力相关的经验标定模型。在标定范围内，该模型可利用大气压条件下的标定数据估算低压环境中的实际风速，预测误差低于10%。文章引用：https://doi.org/10.1063/5.0342455DOI: 10.1063/5.0342455如需阅读原文，请查看附件。
稿件编辑：唐金辉
稿件审核：刘俊杰、田媛
