不同因素作用下坦克行駛揚(yáng)塵濃度分布規(guī)律數(shù)值模擬

陳慧敏， 馮星泰， 王鳳杰， 劉偉博， 楊尚賢

(北京理工大學(xué) 機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

0 引言

戰(zhàn)場(chǎng)煙塵容易造成激光引信的虛警與早炸[1]，是制約裝備對(duì)地激光引信平臺(tái)應(yīng)用與發(fā)展的重要難題之一。坦克行駛引起的揚(yáng)塵是戰(zhàn)場(chǎng)煙塵的主要成分之一，揚(yáng)塵的擴(kuò)散與運(yùn)移是典型的氣體與固體兩相流運(yùn)動(dòng)[2]，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其運(yùn)移規(guī)律和濃度分布及變化特點(diǎn)進(jìn)行仿真研究，仿真中任意添加和改變影響揚(yáng)塵分布的因素參數(shù)，可得出不同因素作用下的揚(yáng)塵濃度分布規(guī)律，對(duì)坦克行駛揚(yáng)塵的實(shí)驗(yàn)室模擬具有重要的意義。

影響揚(yáng)塵濃度分布與運(yùn)移規(guī)律的因素較多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同場(chǎng)景下的揚(yáng)塵(粉塵)分布規(guī)律，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法做了一定的研究。文獻(xiàn)[3]研究了施工隧道中的流體流動(dòng)模式、粉塵濃度分布和顆粒運(yùn)動(dòng)特征，分析了通風(fēng)量、隧道結(jié)構(gòu)以及粒徑分布與粉塵濃度的關(guān)系。文獻(xiàn)[4]針對(duì)露天礦卡車運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生的揚(yáng)塵，仿真比較了不同卡車速度對(duì)揚(yáng)塵濃度分布的影響，并通過(guò)實(shí)測(cè)得出了仿真數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差。文獻(xiàn)[5-7]針對(duì)煤礦工作面的粉塵運(yùn)移與分布規(guī)律，通過(guò)將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型與方法的可靠性，并仿真分析了空氣流速、配風(fēng)量、粉塵粒徑等參數(shù)對(duì)粉塵擴(kuò)散、沉降和累積作用的影響，得出了不同工作面條件下的粉塵濃度分布規(guī)律。文獻(xiàn)[8]研究了礦山高溜井卸礦過(guò)程產(chǎn)生的沖擊氣流與粉塵分布之間的關(guān)系，并結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)各影響因素的分析，提出了相應(yīng)的降塵措施。文獻(xiàn)[9-11]分別針對(duì)城市機(jī)動(dòng)車揚(yáng)塵、車間鑄造粉塵和綜合排放工作面粉塵，仿真分析了不同顆粒質(zhì)量流率下的粉塵濃度分布與運(yùn)移規(guī)律，揭示了不同環(huán)境下粉塵源強(qiáng)度對(duì)其濃度分布的影響。

通過(guò)文獻(xiàn)[3-11]可以看出，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究揚(yáng)塵的運(yùn)移與分布規(guī)律是一種較為成熟可行的研究方法，但針對(duì)典型戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下?lián)P塵的產(chǎn)生機(jī)理和不同條件下?lián)P塵的分布與擴(kuò)散規(guī)律研究尚處于空白，已有研究中以靜態(tài)仿真為主，對(duì)開(kāi)放空間中存在物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的揚(yáng)塵分布隨時(shí)間的變化規(guī)律研究較少。因此，本文針對(duì)典型戰(zhàn)場(chǎng)上坦克行駛引起的揚(yáng)塵，在分析坦克行駛揚(yáng)塵產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)仿真和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的方法，以風(fēng)速和揚(yáng)塵質(zhì)量流率為主要變化因素，對(duì)坦克行駛引起的揚(yáng)塵濃度分布和變化規(guī)律進(jìn)行了仿真，并作了相應(yīng)的分析。仿真結(jié)果可為坦克行駛揚(yáng)塵的實(shí)驗(yàn)室模擬提供一定的參考。

1 仿真模型及邊界條件

1.1 仿真模型的建立

仿真模型包括數(shù)值模擬所需的三維物理模型和數(shù)值解算模型。利用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks建立坦克三維模型并添加相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算域，坦克和計(jì)算域模型尺寸如表1和圖1所示。坦克在計(jì)算域中的坐標(biāo)位置如圖2所示。

表1 坦克三維模型尺寸

利用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent進(jìn)行坦克行駛揚(yáng)塵的數(shù)值解算時(shí)，對(duì)于流體相和顆粒相的數(shù)值解算模型分別采用重整化群(RNG)k-ε模型[12]和離散相模型[13]，再通過(guò)隨機(jī)軌道模型[14]計(jì)算湍流對(duì)揚(yáng)塵顆粒的隨機(jī)性影響，即可得到坦克行駛引起的揚(yáng)塵在湍流隨機(jī)作用下的濃度分布情況。文獻(xiàn)[15]中對(duì)坦克行駛揚(yáng)塵濃度分布的數(shù)值模擬理論模型作了詳細(xì)論述，本文不再贅述。

1.2 流場(chǎng)邊界條件

計(jì)算域邊界條件如圖1中標(biāo)注所示。其中，計(jì)算域側(cè)面和頂面設(shè)為對(duì)稱邊界條件，可最大限度消除計(jì)算域邊界對(duì)流場(chǎng)的影響[16]；地面設(shè)為粗糙壁面，通過(guò)設(shè)置相關(guān)的粗糙度參數(shù)來(lái)表征地面的粗糙程度，使其接近實(shí)際的地面條件。坦克行駛方向?yàn)檠豿軸正方向，通過(guò)設(shè)置相對(duì)于地面做勻速直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)坦克行駛外流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)模擬，動(dòng)坐標(biāo)系與坦克車體相對(duì)靜止，其運(yùn)動(dòng)速度即代表了坦克的行駛速度。另外，在動(dòng)坐標(biāo)系中設(shè)置履帶表面為移動(dòng)壁面來(lái)表示坦克履帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶在動(dòng)坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度與坦克行駛速度相同。

1.3 顆粒相邊界條件

為了考慮坦克車重的影響，將揚(yáng)塵顆粒的初始位置設(shè)為地面及履帶表面，以顆粒的質(zhì)量流率代表初始時(shí)刻揚(yáng)塵顆粒在地面上的累積量，即積塵負(fù)荷。顆粒的真密度根據(jù)文獻(xiàn)[17]對(duì)道路粉塵真密度的測(cè)量，取平均值2 366 kg/m3，平均粒徑取4.45 μm. 采用瞬態(tài)仿真的方法，即仿真分析坦克行駛時(shí)揚(yáng)塵分布隨時(shí)間的變化，揚(yáng)塵顆粒的釋放條件為在初始的5 s內(nèi)連續(xù)釋放，用于模擬地面持續(xù)存在原始揚(yáng)塵顆粒時(shí)的揚(yáng)塵分布情況；5 s后揚(yáng)塵顆粒停止釋放，用于模擬無(wú)新顆粒源的條件下存在于流場(chǎng)中的揚(yáng)塵分布變化情況。揚(yáng)塵顆粒運(yùn)動(dòng)到達(dá)坦克表面和地面時(shí)的邊界條件為反彈，到達(dá)計(jì)算域邊界時(shí)的邊界條件為逃逸。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 坦克行駛外流場(chǎng)分析

坦克行駛時(shí)造成周圍空氣流場(chǎng)的變化是揚(yáng)塵產(chǎn)生的主要因素。首先運(yùn)用相對(duì)性原理對(duì)坦克行駛外流場(chǎng)進(jìn)行仿真，即坦克保持靜止，從速度入口處設(shè)定來(lái)流風(fēng)速與坦克行駛速度相同，觀察坦克周圍流場(chǎng)的變化。分別在坦克中心對(duì)稱面z=-1.61 m截面、坦克履帶處z=-0.50 m截面和坦克尾部x=-1.5 m截面觀察分析坦克外流場(chǎng)，流場(chǎng)分布及流線圖如圖3所示。

從圖3(a)可知，在坦克車身頂部，由于炮塔對(duì)氣流的剪切作用，流速加快，速度梯度變化劇烈，在車身前部和尾部由于車身的阻擋和遮蔽作用，氣流速度減慢。從圖3(a)的流線圖可以看到，在車身頂部及尾部，由于車身表面對(duì)氣流的引導(dǎo)作用和剪切作用，尾部氣流還會(huì)受到不同流速產(chǎn)生的壓力梯度作用，造成氣流方向來(lái)不及改變，從而產(chǎn)生了較為強(qiáng)烈的渦旋氣流；在炮塔后方產(chǎn)生了向上的氣流，這是因?yàn)槠渖戏綒饬魉俣容^快而產(chǎn)生壓力差，在壓力梯度力的作用下產(chǎn)生方向向上的流場(chǎng)；另外在尾部渦旋氣流后方還產(chǎn)生了不連續(xù)的流線，表明此處流場(chǎng)不穩(wěn)定，流場(chǎng)速度方向向其他維度迅速變化。

從圖3(b)可知，在坦克履帶后方，氣流在車身引導(dǎo)下向斜下方運(yùn)動(dòng)，在靠近履帶邊緣處，氣流受到履帶和地面的阻滯，形成了流線方向變化劇烈的流場(chǎng)，并且在靠近地面處產(chǎn)生了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的氣流渦旋。

圖3(c)為垂直于空氣來(lái)流方向在坦克尾部x=-1.5 m截面的流場(chǎng)分布圖。從圖3(c)中可以看出，坦克尾部氣流的流動(dòng)情況較為復(fù)雜，形成了較多的渦旋氣流，流場(chǎng)分布大體上呈對(duì)稱分布。其中在坦克履帶尾部，來(lái)自上方的氣流和履帶尾部的氣流匯合后形成了多種尺度的渦旋，下側(cè)的渦旋為順時(shí)針?lè)较?，上?cè)的渦旋為逆時(shí)針?lè)较?；中間部分產(chǎn)生了方向向上的流場(chǎng)，上升到一定高度后與上方氣流匯合并向兩側(cè)流動(dòng)，同時(shí)在中間上部由于對(duì)流的作用而產(chǎn)生了左邊逆時(shí)針、右邊順時(shí)針的渦旋；在履帶兩側(cè)，氣流與履帶后方紊亂的氣流作用后在靠近地面處產(chǎn)生了尺度較大的渦旋，左側(cè)渦旋為順時(shí)針?lè)较?，右?cè)為逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

從以上流場(chǎng)分析結(jié)果可以看出，坦克行駛過(guò)程中對(duì)周圍空氣造成了很大的擾動(dòng)，坦克尾部流場(chǎng)速度梯度變化劇烈，坦克頂部、尾部及兩側(cè)形成了多種尺度的渦旋氣流。在這些速度梯度變化劇烈的氣流作用下，散布在地面的揚(yáng)塵顆粒受到卷吸作用，開(kāi)始向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，造成坦克周圍及尾部塵土飛揚(yáng)。

圖4為坦克行駛揚(yáng)塵仿真結(jié)果在x=0.5 m和x=-1.5 m兩個(gè)截面的濃度分布圖。從圖4可以看出，在坦克車身兩側(cè)，揚(yáng)塵濃度較高的區(qū)域與湍流渦旋出現(xiàn)的區(qū)域基本一致，且在x=-1.5 m截面處左右兩側(cè)揚(yáng)塵分布不均，說(shuō)明坦克行駛時(shí)產(chǎn)生的渦旋氣流是引起揚(yáng)塵的主要原因之一，且在坦克尾部湍流對(duì)揚(yáng)塵的隨機(jī)擴(kuò)散效應(yīng)更明顯。

2.2 不同風(fēng)速下的坦克行駛揚(yáng)塵濃度分布

自然條件下，風(fēng)速是影響揚(yáng)塵顆粒運(yùn)動(dòng)的主要因素之一。對(duì)坦克行駛時(shí)遇到正面迎風(fēng)條件下的揚(yáng)塵濃度分布進(jìn)行仿真，主要仿真參數(shù)如表2所示。通過(guò)揚(yáng)塵濃度分布云圖觀察不同風(fēng)速對(duì)揚(yáng)塵分布的影響，截取z=-1.61 m和y=1 m兩個(gè)特征截面，在t=5 s和t=10 s兩個(gè)時(shí)刻觀察分析揚(yáng)塵濃度分布云圖，如圖5和圖6所示。

表2 不同風(fēng)速下的主要仿真參數(shù)

從圖5可知，坦克尾部揚(yáng)塵隨著風(fēng)速的增大，其濃度和分布范圍逐漸減小，且揚(yáng)塵分布的高度也在逐漸減小，說(shuō)明揚(yáng)塵顆粒在風(fēng)力的作用下擴(kuò)散速度加快，揚(yáng)塵在坦克尾部附近停留的時(shí)間變短，從而造成風(fēng)速越大，尾部揚(yáng)塵濃度越低。

從圖6可知：在t=5 s時(shí)刻，風(fēng)速主要影響揚(yáng)塵在坦克兩側(cè)的分布，風(fēng)速越大，坦克尾部?jī)蓚?cè)揚(yáng)塵濃度越高，尤其在履帶兩側(cè)揚(yáng)塵分布明顯增加，同時(shí)在風(fēng)力的作用下，尾部較遠(yuǎn)處揚(yáng)塵量逐漸增加；在t=10 s時(shí)刻，揚(yáng)塵濃度在風(fēng)力作用下明顯降低，只有在靜風(fēng)條件下?lián)P塵濃度依然較高，說(shuō)明風(fēng)力對(duì)揚(yáng)塵的擴(kuò)散具有重要影響。

對(duì)不同風(fēng)速下的揚(yáng)塵濃度變化趨勢(shì)進(jìn)行量化考查，提取坦克尾部x=-2 m和x=-6 m兩個(gè)特征截面和沿垂直方向的y=1 m特征截面，計(jì)算每個(gè)截面在不同時(shí)刻的揚(yáng)塵平均質(zhì)量濃度，繪制其在不同風(fēng)速下的變化趨勢(shì)曲線，如圖7所示。

從圖7(a)、圖7(b)可知：在靠近坦克尾部的x=-2 m截面，風(fēng)速越大，揚(yáng)塵平均質(zhì)量濃度越小，在0～5 s內(nèi)由于揚(yáng)塵顆粒持續(xù)入射，而揚(yáng)塵濃度持續(xù)增加的時(shí)間隨著風(fēng)速的增大而減小，說(shuō)明風(fēng)速越大，揚(yáng)塵擴(kuò)散越快；在距坦克尾部較遠(yuǎn)的x=-6 m截面，揚(yáng)塵濃度的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出在靜風(fēng)和低風(fēng)速下先持續(xù)增加而后趨于穩(wěn)定，在高風(fēng)速下先增加后減小的變化趨勢(shì)，說(shuō)明在距離坦克尾部較遠(yuǎn)的區(qū)域，高風(fēng)速對(duì)揚(yáng)塵濃度的影響強(qiáng)于低風(fēng)速。從圖7(c)可以得出：在0～5 s內(nèi)揚(yáng)塵顆粒入射階段，風(fēng)速越高、揚(yáng)塵濃度越大、濃度變化越迅速；在顆粒入射結(jié)束后，揚(yáng)塵濃度在高風(fēng)速下開(kāi)始迅速下降，而低風(fēng)速下仍然有緩慢上升的趨勢(shì)。以上結(jié)果說(shuō)明，風(fēng)速對(duì)揚(yáng)塵濃度的變化具有顯著影響，風(fēng)速越大，揚(yáng)塵濃度變化越劇烈，擴(kuò)散速度越快。

再對(duì)不同風(fēng)速下?lián)P塵濃度隨x方向的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，選取t=5 s和t=10 s兩個(gè)特征時(shí)刻，如圖8所示。從圖8可以看出：在t=5 s時(shí)刻，顆粒入射結(jié)束時(shí)，距離坦克尾部越遠(yuǎn)，風(fēng)速對(duì)揚(yáng)塵沿x方向的平均質(zhì)量濃度影響越??；而在t=10 s時(shí)刻，風(fēng)速的影響顯著增強(qiáng)，在風(fēng)力的作用下?lián)P塵向后方運(yùn)動(dòng)，因此揚(yáng)塵濃度沿負(fù)x方向持續(xù)增加，且風(fēng)速越大，濃度越低，靜風(fēng)條件下?lián)P塵濃度在x=-16 m后開(kāi)始降低，說(shuō)明在無(wú)風(fēng)驅(qū)動(dòng)時(shí)揚(yáng)塵的擴(kuò)散速度明顯下降。

2.3 不同質(zhì)量流率下的坦克行駛揚(yáng)塵濃度分布

質(zhì)量流率是指單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入流動(dòng)區(qū)域的顆粒質(zhì)量，其代表了地面上原始揚(yáng)塵顆粒的數(shù)量，是揚(yáng)塵顆粒的源強(qiáng)表征。對(duì)不同質(zhì)量流率下的揚(yáng)塵濃度分布進(jìn)行仿真，主要仿真參數(shù)如表3所示。

首先通過(guò)揚(yáng)塵濃度分布云圖分析其變化趨勢(shì)，如圖9所示，選取t=5 s和t=10 s兩個(gè)時(shí)刻，圖9中顯示圖例的最大值為10-4kg/m3. 從圖9可以看出：揚(yáng)塵濃度在整體上隨質(zhì)量流率的增加而增加，尤其在尾部后上方濃度增加明顯；在坦克尾部附近區(qū)域，t=5 s時(shí)刻揚(yáng)塵濃度明顯隨質(zhì)量流率的增加而增加，而在t=10 s時(shí)刻揚(yáng)塵濃度區(qū)別并不明顯，說(shuō)明質(zhì)量流率越大，揚(yáng)塵擴(kuò)散速度越快。

表3 不同質(zhì)量流率下主要仿真參數(shù)

對(duì)坦克尾部x=-2 m和x=-6 m兩個(gè)截面揚(yáng)塵平均濃度隨時(shí)間變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，在兩個(gè)截面揚(yáng)塵平均濃度在4種質(zhì)量流率下變化規(guī)律基本相同，都呈先增加后在一定濃度區(qū)間內(nèi)震蕩，質(zhì)量流率越大、震蕩越劇烈。

對(duì)不同質(zhì)量流率下?lián)P塵濃度沿垂直方向的分布規(guī)律進(jìn)行分析，選取t=5 s和t=10 s兩個(gè)時(shí)刻，得到揚(yáng)塵平均濃度隨y方向坐標(biāo)值變化的規(guī)律，如圖11所示。從圖11可以看出，在兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，4種不同質(zhì)量流率下?lián)P塵平均濃度均呈指數(shù)規(guī)律衰減，質(zhì)量流率越大，揚(yáng)塵平均濃度越高，且變化趨勢(shì)基本一致。

最后以質(zhì)量流率為自變量，觀察其對(duì)揚(yáng)塵平均濃度變化的影響，選取x=-2 m、x=-6 m、y=0.9 m和y=1.8 m共4個(gè)典型截面，在t=5 s和t=10 s兩個(gè)時(shí)刻觀察，結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出，在兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，4個(gè)典型截面上揚(yáng)塵平均濃度均隨質(zhì)量流率的增加而線性增加。據(jù)此，揚(yáng)塵平均濃度在其他質(zhì)量流率下的變化規(guī)律可由某一質(zhì)量流率的揚(yáng)塵平均濃度數(shù)據(jù)推算得出。

3 結(jié)論

本文以典型戰(zhàn)場(chǎng)中坦克行駛揚(yáng)塵的實(shí)驗(yàn)室模擬為研究背景，基于氣體與固體兩相流理論，利用ANSYS Fluent軟件對(duì)坦克行駛引起的外流場(chǎng)變化及不同風(fēng)速和不同揚(yáng)塵質(zhì)量流率下的坦克行駛揚(yáng)塵濃度分布進(jìn)行了仿真分析，得出以下3點(diǎn)結(jié)論：

1)坦克行駛時(shí)在車身尾部和兩側(cè)造成速度梯度變化劇烈的流場(chǎng)，并產(chǎn)生大量的湍流渦旋，其對(duì)地面揚(yáng)塵顆粒產(chǎn)生的卷吸和擴(kuò)散作用是坦克行駛引起大量揚(yáng)塵的主要原因之一。

2)風(fēng)速對(duì)揚(yáng)塵擴(kuò)散具有重要影響，風(fēng)速越大，坦克尾部中心揚(yáng)塵濃度越低，尾部?jī)蓚?cè)揚(yáng)塵濃度越高；在距離坦克尾部較遠(yuǎn)的區(qū)域，揚(yáng)塵平均濃度在高風(fēng)速和低風(fēng)速下的變化趨勢(shì)有所不同，高風(fēng)速下?lián)P塵濃度變化更迅速；距離坦克尾部越遠(yuǎn)，風(fēng)速對(duì)揚(yáng)塵濃度的影響越小。

3)揚(yáng)塵質(zhì)量流率是坦克行駛引起揚(yáng)塵的源強(qiáng)表征，質(zhì)量流率越大，揚(yáng)塵擴(kuò)散速度越快，不同質(zhì)量流率下?lián)P塵平均濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同；不同典型截面上揚(yáng)塵平均濃度隨質(zhì)量流率的增加而線性增加，因此可根據(jù)某一質(zhì)量流率的揚(yáng)塵平均濃度數(shù)據(jù)推算得出其他質(zhì)量流率下的揚(yáng)塵平均濃度。

本文仿真結(jié)果尚未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，下一步工作將通過(guò)測(cè)試實(shí)際的坦克行駛揚(yáng)塵在不同條件下的濃度分布，與本文仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證仿真模型與方法的可靠性，進(jìn)行仿真誤差分析并對(duì)仿真模型進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，為坦克行駛揚(yáng)塵的實(shí)驗(yàn)室模擬提供更可靠的數(shù)據(jù)參考。