基于CFD方法的紅外煙幕干擾性能研究

徐路程，肖凱濤

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基于CFD方法的紅外煙幕干擾性能研究

徐路程，肖凱濤

（防化研究院，北京 102205）

采用計算流體力學(xué)方法對一平坦開闊地域的風(fēng)場進行數(shù)值模擬，運用離散相模型對紅外煙幕在該區(qū)域的擴散進行計算，得到了紅外煙幕質(zhì)量濃度的三維空間分布，并由Lambert-Beer定律計算出紅外煙幕在跨風(fēng)方向上的有效遮蔽區(qū)域，研究了風(fēng)速對于紅外煙幕遮蔽區(qū)域的影響規(guī)律。

紅外煙幕；計算流體力學(xué)；離散相模型；Lambert-Beer定律

0 引言

紅外偵察和紅外制導(dǎo)由于其分辨率高和抗干擾能力強而倍受各國重視，工作在紅外波段的偵察和制導(dǎo)裝備迅速發(fā)展[1]。煙幕作為對抗精確制導(dǎo)武器和觀瞄器材的無源干擾手段在國內(nèi)外已有了很大發(fā)展[2]。按照遮蔽機制，煙幕可以分為輻射遮蔽型和衰減遮蔽型，目前的研究主要集中在衰減遮蔽型煙幕上[3]。這種煙幕主要靠煙幕對紅外的吸收和散射作用來實現(xiàn)遮蔽。煙幕的仿真對于戰(zhàn)術(shù)使用有較強的參考價值，文獻[3-4]分別用無風(fēng)的高斯模型和拉赫特曼擴散理論計算了三維空間的濃度場，并以此為基礎(chǔ)利用Lambert-Beer定律計算了空間透光率。高斯模型中也可以包含風(fēng)速的影響，推導(dǎo)過程中用一點的風(fēng)速代表整個擴散空間中的風(fēng)速，即認為三維空間中的風(fēng)速分布是均勻的，但由于大氣邊界層中下墊面的作用，風(fēng)速在垂直方向上存在梯度；拉赫特曼擴散理論中考慮了風(fēng)速梯度的影響，但適合于模擬瞬時體源的擴散過程，不適用于連續(xù)源的模擬。本文將首先運用計算流體力學(xué)方法對一平坦開闊地域的風(fēng)場進行數(shù)值模擬，之后在計算得到的風(fēng)場的基礎(chǔ)上運用離散相模型模擬某型紅外煙幕在該區(qū)域的擴散，利用Lambert-Beer定律可以計算通過擴散實現(xiàn)的三維空間分布的質(zhì)量濃度在跨風(fēng)方向上的透光率，進而確定煙幕遮蔽的有效區(qū)域。利用以上方法，通過模擬不同風(fēng)速條件下的風(fēng)場，從而研究風(fēng)速對于紅外煙幕干擾性能的影響規(guī)律。

1 風(fēng)場模擬

1.1 幾何模型

風(fēng)場數(shù)值模擬的幾何模型如圖1所示，計算域為1000m×400m的長方形區(qū)域，模擬的風(fēng)向為西風(fēng)。由于氣溶膠擴散在空間中是一個三維過程，并且擴散過程一般都發(fā)生在大氣邊界層（一般指距離地面200m以內(nèi)的范圍[5]）中。因此，本模型中考慮垂直方向的計算高度為50m。于是，三維的計算區(qū)域為1000m×400m×40m，如圖2所示。

圖1 計算區(qū)域示意圖

圖2 三維幾何模型及邊界條件

1.2 網(wǎng)格劃分

垂直方向上，下邊界初始網(wǎng)格設(shè)置為0.5m，增長比率1.2，總網(wǎng)格數(shù)為30；水平方向上，網(wǎng)格均勻分布，網(wǎng)格尺寸4m。本文使用前處理軟件ANSYS ICEM CFD采用計算精度更高的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，計算域內(nèi)共劃分75萬網(wǎng)格，網(wǎng)格及坐標(biāo)設(shè)置如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 邊界條件

本文中考慮模擬以下情況：參考高度取為ref＝2m，參考風(fēng)速為ref，具體設(shè)置分別為：1.2m/s，2.0m/s，3.0m/s，4.0m/s，5.0m/s，6.0m/s，7.0m/s。根據(jù)文獻[6]，入口的風(fēng)速廓線可以表示為：

式中：＝0.42為卡曼常數(shù)；0＝0.01m為平坦地面的一種地面粗糙長度；*為摩擦速度。對于本文中考慮的近地面層，動量垂直通量隨高度的變化很小，可以認為通量為常數(shù)[7]，即：

式中：表示湍流切應(yīng)力，根據(jù)文獻[6]，可以如下估算摩擦速度：

將各參數(shù)帶入上式中，可以得到*，將此式帶入式(1)即可確定速度廓線。常溫常壓條件下，空氣密度為＝1.225kg/m3，由式(2)可以估算近地面層湍流切應(yīng)力。

對于近地面層中的流動模擬，應(yīng)該能夠滿足流動方向上的均勻性，即保證入口的風(fēng)速廓線式(1)能夠在流動過程得到保持。對于使用標(biāo)準(zhǔn)-模型的RANS模擬，已經(jīng)有學(xué)者提出了多種方法來保證水平均勻的速度廓線。最為常用的方法是基于Richard和Hoxey提出的邊界條件的方法[6]，他們建議速度、湍動能、湍流耗散率都使用對數(shù)廓線表示：

1）入口邊界條件：采用速度入口（velocity-inlet）邊界，速度、湍動能、湍動能耗散率廓線采用式(1)，式(4)，式(5)的定義；

2）出口邊界條件：采用自由流（outflow）邊界，這種邊界假定在這個邊界上沒有流向的梯度[5]；

3）下邊界邊界條件：采用切應(yīng)力邊界條件，切應(yīng)力的形式如式(2)所示，文獻[5]指出這種方法能夠獲得非常小的入-出口誤差；

4）上邊界邊界條件：采用速度邊界條件，速度、湍動能、湍動能耗散率的取值按照式(1)，式(4)，式(5)在上邊界高度處的函數(shù)值來確定，從而保持物理量的連續(xù)性，相比于常見于其他文獻中用于上邊界的對稱邊界和滑移邊界，這種邊界能夠最少的引入流向上的梯度[5]，從而能夠更好的保證流向上的均勻性；

5）側(cè)邊界邊界條件：采用速度邊界條件，速度、湍動能、湍動能耗散率廓線采用與入口邊界相同的形式，方向沿流動方向。

1.4 流場求解

本文使用Ansys Fluent 12.0對控制方程進行求解。

1）控制方程離散

Fluent對控制方程采用有限體積法進行離散。動量方程、能量方程、湍動能方程和湍流耗散率方程使用二階迎風(fēng)格式進行離散；壓力使用body-force-weighted方法進行離散。

2）壓力速度耦合方式

本文中選擇SIMPLEC算法對壓力速度進行耦合。

3）殘差設(shè)定

為了保證計算結(jié)果的收斂性，將能量方程的收斂準(zhǔn)則設(shè)定為10－6（標(biāo)準(zhǔn)化殘差），其他方程的收斂準(zhǔn)則設(shè)定為10－3（標(biāo)準(zhǔn)化殘差）。

2 擴散相模擬

紅外煙幕的施放源的尺寸相比整個計算域的尺寸可以忽略不計，因此研究中考慮使用離散相模型中的點源來模擬施放源，點源的屬性如下：釋放點的水平位置如圖1所示，施放點的高度高于地面2m，空間坐標(biāo)為(100, 200, 2)；施放方向為沿著風(fēng)速方向；施放時間為0s到90s；粒子粒徑為10mm；錐形點源的半角設(shè)定為15°；源強為0.15kg/s。

擴散模擬的總時間為90s，時間步長取為1s，共90個時間步。

3 透光率計算

當(dāng)紅外輻射通過煙幕氣溶膠時，被煙幕氣溶膠所散射和吸收而消弱，其規(guī)律符合Lambert-Beer定律，即：

式中：為通過煙幕后的輻射強度，W/cm2；0為通過煙幕前的輻射強度，W/cm2；為煙幕濃度，g/m3；為紅外輻射通過濃度的光程，m；e為消光系數(shù)，m2/g，它與發(fā)煙劑的性質(zhì)、煙幕粒子的大小、輻射波等有關(guān)，經(jīng)煙箱測定，本文中使用的紅外煙幕對于中紅外和遠紅外的消光系數(shù)分別為1.4m2/g和1.3m2/g，本文中對中紅外進行模擬。

通過一段大氣路徑的透光率定義為前后輻射通量密度之比[7]，即：

對于煙幕氣溶膠非均勻分布的情況，透光率可以表示為：

計算流體力學(xué)計算得到的濃度場不是顯式表示的函數(shù)，而是離散的空間分布，積分可采用數(shù)值積分的方法進行：

本文對跨風(fēng)方向的透光率進行計算，于是積分方向為沿坐標(biāo)系正軸方向，積分范圍為[100,300]，積分步長取為D＝0.5m。

4 結(jié)果統(tǒng)計與分析

在垂直于軸方向的平面上，選取方向[50, 1000]×方向[0, 20]取間距為1m的共951×21個點，利用FLUENT中編寫journal程序的功能對∈[100, 300]內(nèi)每0.5m一個步長的數(shù)據(jù)點的濃度進行統(tǒng)計并輸出，之后按照式(9)進行線積分，得到各離散點處的透光率。運用Surfer軟件繪制透光率為0.15的等值線區(qū)域，并測量有效遮蔽區(qū)域（透光率小于0.15）的面積和長、寬尺寸，各種風(fēng)速條件下的有效遮蔽區(qū)域如圖4～圖10所示，有效遮蔽區(qū)域的長度、寬度、面積與風(fēng)速的關(guān)系如圖11～圖13所示。

如圖4～圖10所示，在較短的施放時間（30s）后，紅外煙幕的遮蔽區(qū)域在空間中連續(xù)、完整，并且煙幕的有效長度能夠隨著風(fēng)速的增加而逐漸增長；在稍長的施放時間（60s, 90s）后，適中的風(fēng)速（1.2m/s～4m/s）條件下有效長度仍能夠較穩(wěn)定增長，但較大風(fēng)速（5m/s～7m/s）條件下，在煙幕施放的遠端達到閾值透光率的等值線已經(jīng)支離破碎，難以達到遮蔽的效果，有效長度明顯下降。風(fēng)場引起的輸運和擴散是煙幕形成有效遮蔽區(qū)域的主要動力來源，風(fēng)速的加強一方面使煙幕氣溶膠在相同的時間內(nèi)運動到更遠的區(qū)域，但同時也使其空間濃度分布更為分散，而湍流的存在會加強這種分散作用，因此在風(fēng)速增大的過程中會出現(xiàn)有效遮蔽區(qū)域長度先增后降的規(guī)律。

煙幕的有效遮蔽區(qū)域高度在各個時間段內(nèi)都表現(xiàn)出隨風(fēng)速增加先遞增再遞減的規(guī)律，高度的峰值出現(xiàn)在風(fēng)速在2m/s～3m/s的條件，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是擴散作用：風(fēng)速較低時垂直方向上的速度脈動量較小，煙幕聚集在相對較低的區(qū)域，導(dǎo)致有效遮蔽高度較低，而隨著風(fēng)速的增加，垂直方向上的脈動速度也有所增加，這導(dǎo)致了一方面煙幕由于更大的風(fēng)速快速地向下風(fēng)向運動，另一方面垂直向上的輸送也有所增加，使有效遮蔽高度增加，但過大的風(fēng)速使煙幕較為分散難以達到有效線積分濃度，于是有效遮蔽高度下降。

圖4 風(fēng)速為1.2m/s時3個時刻煙幕遮蔽的有效區(qū)域

圖5 風(fēng)速為2.0m/s時3個時刻煙幕遮蔽的有效區(qū)域

Fig.5 Effective area of smoke shielding at 3 moments (wind velocity＝2.0m/s)

圖6 風(fēng)速為3.0m/s時3個時刻煙幕遮蔽的有效區(qū)域

圖7 風(fēng)速為4.0m/s時3個時刻煙幕遮蔽的有效區(qū)域

Fig.7 Effective area of smoke shielding at 3 moments (wind velocity＝4.0m/s)

圖8 風(fēng)速為5.0m/s時3個時刻煙幕遮蔽的有效區(qū)域

圖9 風(fēng)速為6.0m/s時3個時刻煙幕遮蔽的有效區(qū)域

圖10 風(fēng)速為7.0m/s時3個時刻煙幕遮蔽的有效區(qū)域

圖11 有效遮蔽區(qū)域長度與風(fēng)速關(guān)系

and wind velocity

圖12 有效遮蔽區(qū)域高度與風(fēng)速關(guān)系

圖13 有效遮蔽區(qū)域面積與風(fēng)速關(guān)系

Fig.13 Relationship between acreage of effective shielding area and wind velocity

風(fēng)速對有效遮蔽區(qū)域長度和高度的影響綜合體現(xiàn)在對于面積的影響上：風(fēng)速對于面積的影響同樣表現(xiàn)出先遞增再遞減的規(guī)律，但由于長度和高度峰值對應(yīng)的風(fēng)速不同，有效面積的峰值出現(xiàn)在風(fēng)速為3m/s～4m/s的條件下。

綜上所述，本文中研究的發(fā)煙劑對于中紅外波段，在3m/s～4m/s的風(fēng)速條件下能夠形成最為穩(wěn)定、遮蔽效果最為理想的紅外煙幕。

5 結(jié)論

本文提出了一種將計算流體力學(xué)方法、離散相模型、Lambert-Beer定律相結(jié)合的紅外煙幕干擾性能的數(shù)值模擬方法；運用以上方法，對多種風(fēng)速條件下紅外煙幕擴散進行了數(shù)值模擬，得到了風(fēng)速對于該種煙幕對中紅外透光率的影響規(guī)律。該種方法為煙幕干擾性能的數(shù)值模擬提供了一種新的思路，對煙幕技術(shù)的實際使用具有指導(dǎo)意義。主要結(jié)論如下：

1）煙幕的有效遮蔽長度在適中風(fēng)速（2m/s～4m/s）條件下能夠較穩(wěn)定增長，較大風(fēng)速（5m/s～7m/s）條件下，有效長度明顯下降；

2）煙幕的有效遮蔽高度隨風(fēng)速增加先遞增、再遞減，高度峰值對應(yīng)風(fēng)速為2m/s～3m/s；

3）煙幕的有效遮蔽面積隨風(fēng)速增加先遞增、再遞減，面積峰值對應(yīng)風(fēng)速為3m/s～4m/s；

4）綜合考慮煙幕有效遮蔽區(qū)域的長度、高度、面積，本文中研究的發(fā)煙劑對于中紅外波段在3m/s～4m/s的風(fēng)速條件下使用能夠形成最為穩(wěn)定、最為理想的遮蔽效果。

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CFD-based Study on Countermeasure Performance of Anti-infrared Smoke Screen

XU Lu-cheng，XIAO Kai-tao

(,102205,)

In this paper, computational fluid dynamics method was applied for the numerical simulation of a flat and open wind field. The dispersion of anti-infrared smoke screen in this area was evaluated by discrete phase model, and the three-dimensional distribution of the concentration of anti-infrared smoke screen was obtained. The efficient shielding region of anti-infrared smoke screen across the wind direction was calculated by using Lambert-Beer law. The relationship between wind velocity and shielding region of anti-infrared smoke screen was also studied in this paper.

anti-infrared smoke screen，computational fluid dynamics，discrete phase model，Lambert-Beer law

O434.3

A

1001-8891(2015)04-0337-05

2014-12-22；

2015-03-13.

徐路程（1990-），男，吉林通化人，碩士研究生，主要從事大氣擴散及煙幕干擾特性研究。

總裝備部“十二五”預(yù)先研究課題項目。