1  前言

    在用皮托管测量高速气体流速时，皮托管的头部形状和姿态对其温度有很大的影响，过高的温度要影响皮托管的使用，使用测试方法测量其温度是困难的，特别是对于小型皮托管情况，所以非常有必要用数值分析的方法研究皮托管的头部姿态对其头部温度的影响。

2  数学模型

    进行计算时作了以下几点假设：

    a.  皮托管头部的来流是均匀的；

    b.  忽略由于热辐射引起的热交换；

    c.  流体的粘性系数、热传导系数和等压比热系数都为常数，不随温度变化。

    由于研究的是流固耦合问题，因此需要求解的控制方程包括固体域的温度方程和流体域的控制方程。固体域应用固体热传导方程，流体域的控制方程采用流体力学的N-S方程，流、固界面两侧热通量相等。     

3  计算模型

    采用ANSYS软件^[1]的结构模块建立计算模型，由于几何模型相对于中分面是对称的，因此只需要建立一半模型。皮托管为直径5mm，长50mm的直管，头部存在70度切角，处在半径25mm的柱形流体域当中。计算模型如下所示（见图1）。

    应用ICEM CFD网格预处理软件^[2]进行模型网格的划分，采用块体结构拓扑划分网格的方法进行，网格采用八节点六面体网格，具体网格如下（见图2和图3）。

    应用CFX流体计算分析软件^[3]设定边界条件进行流固耦合求解，皮托管处于来流马赫数为5.0，来流压力和温度分别为600Pa和20℃的均匀氟里昂气体来流中。皮托管的端部边界条件为20℃。

    流体计算采用湍流模型，具体采用SST（剪应力输运模型）模型。

4  计算结果及分析

4.1 头部无切角、均匀来流无攻角情况

    当皮托管头部为平头没有切角来流无攻角时，计算结果如下所示（见图4~6）。

图4 头部无切角时皮托管的温度分布

图5 头部无切角时皮托管对称面上气体等压线图

图6 头部无切角时皮托管对称面上气体等温线图