坦克熱煙氣紅外輻射特征數(shù)值分析

趙 耀， 駱清國， 桂 勇， 魯 俊

(陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072)

坦克在行駛過程中會產(chǎn)生大量的熱煙氣，這些熱煙氣溫度較高且組分穩(wěn)定，構(gòu)成了坦克紅外輻射特征的主要來源。對于熱煙氣的紅外輻射特征，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：易軍凱等[1]結(jié)合近代分子輻射和傳輸理論得到了坦克尾噴煙的輻射亮度；鄭坤鵬等[2]通過建立坦克排煙熱流場計算模型，使用譜帶積分法得到了排煙的輻射亮度；祝念等[3]利用經(jīng)驗公式分析了尾焰流場分布，在此基礎(chǔ)上計算了輻射氣體在濃度變化情況下對紅外輻射特征的影響；曹毅剛[4]通過對計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件后處理的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，提出了一種計算煙氣紅外輻射強度的算法；許愛華等[5]利用試驗與仿真相結(jié)合的方法得到了無人機煙氣的紅外輻射特征；美軍陸軍坦克裝甲車輛司令部通過對裝甲車輛排出的廢氣流動性的研究，研制出了能夠?qū)崟r預(yù)測排煙紅外圖像的軟件，但由于保密的原因，詳細(xì)的資料無法得到。

上述流場計算研究方法大都是利用已有的經(jīng)典理論，特別是在獲取熱煙氣的主要輻射氣體濃度以及計算熱煙氣的光譜透過率時，大多采用的是經(jīng)驗公式的方法，計算結(jié)果精度不高且應(yīng)用價值不大。為此，筆者利用GT-SUITE建立了某型坦克柴油機仿真模型，通過軟件的后處理模塊得到該坦克某典型工況下熱煙氣的摩爾分?jǐn)?shù)；在此基礎(chǔ)上提出了熱煙氣流場和溫度場數(shù)值計算模型，得到了各主要輻射氣體的溫度和壓強；然后提出了基于Malkmus模型的非均勻氣體光譜透過率計算方法，得到了熱煙氣光譜透過率；建立了基于紅外探測方向離散的熱煙氣紅外輻射計算模型，并通過與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了模型的可靠性；最后模擬計算了坦克熱煙氣的紅外輻射特征，并對造成在紅外探測方向上紅外輻射特征衰減的影響因素進(jìn)行了分析，研究成果為熱煙氣紅外抑制措施的提出奠定了理論基礎(chǔ)。

1 熱煙氣流場和溫度場的計算

1.1 主要輻射氣體摩爾分?jǐn)?shù)的計算

GT-SUITE是柴油機工作過程仿真軟件，筆者利用該軟件建立了柴油機的仿真計算模型，如圖1所示。通過調(diào)取GT-SUITE中后處理模塊GT-Post的自帶計算模板Species Sampler，保持模板中的參數(shù)不變，并通過直接連接柴油機仿真模型的排煙口模擬計算了從柴油機排出的各主要輻射氣體的摩爾分?jǐn)?shù)，如圖2所示?？梢钥闯觯翰裼蜋C剛開始工作階段，3種氣體的摩爾分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了峰值；當(dāng)柴油機工作穩(wěn)定后，CO2和H2O的摩爾分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了下降并保持在恒定水平，CO則迅速衰減到0。因此，在對坦克熱煙氣紅外輻射特征進(jìn)行數(shù)值分析時其輻射氣體選為CO2和H2O。

1.2 熱煙氣流場和溫度場數(shù)值計算模型

計算坦克熱煙氣紅外輻射特征分布需要知道煙氣的組分壓強和溫度分布數(shù)據(jù)，所以首先需計算熱煙氣流場和溫度場的分布，利用CFD軟件計算熱煙氣的流場和溫度場分布，雖然能獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但計算量大，不能滿足工程的應(yīng)用。為此，筆者基于坦克熱煙氣為理想湍流射流的假設(shè)，提出了一種能夠快速計算熱煙氣流場和溫度場分布的數(shù)值計算模型。

該數(shù)值計算模型的基本假設(shè)為：將熱煙氣排出排煙管后的區(qū)域劃分為起始區(qū)、混合區(qū)和基本區(qū)3個部分，如圖3所示?？梢钥闯觯哼@3部分的形狀呈發(fā)散狀，外圍邊界主要由排煙管出口界面、混合區(qū)的外邊界和基本區(qū)的外邊界確定。這里不設(shè)置出口邊界，以使熱煙氣與空氣充分混合。各個區(qū)域的主要參數(shù)如下：起始區(qū)長度xe,混合區(qū)的外邊界與x軸的夾角α，起始區(qū)內(nèi)x軸上任意位置xd0，在xd0處起始區(qū)的半徑rd0，混合區(qū)的半徑y(tǒng)d0，混合區(qū)與基本區(qū)接觸半個區(qū)域的長度ye，基本區(qū)溫度待求位置與x軸的垂線與基本區(qū)外邊界相交處的徑向距離ye0。在這里，假設(shè)起始區(qū)煙氣各輻射氣體的壓強以及溫度均為恒定值。混合區(qū)是熱煙氣與環(huán)境空氣進(jìn)行了初步混合，基本區(qū)則是熱煙氣和環(huán)境空氣進(jìn)行了充分混合。

起始區(qū)的數(shù)值計算模型為

T=Te

，

(1)

式中：T為待求位置的溫度；Te為排煙管出口的初始溫度。

混合區(qū)的數(shù)值計算模型為

(2)

式中：Ts為環(huán)境空氣溫度；y為待求溫度位置與x軸的垂直距離。

基本區(qū)的數(shù)值計算模型為

(3)

式中：

(4)

為基本區(qū)內(nèi)待求溫度位置與x軸垂直相交處的溫度，其中

(5)

為基本區(qū)內(nèi)的流場壓力。

熱煙氣各主要輻射氣體的壓強

pi=p·xi，

(6)

式中：xi為第i種氣體的摩爾分?jǐn)?shù)，通過GT-SUITE建立的仿真模型求得。

在計算熱煙氣流場和溫度場時，假設(shè)坦克行駛速度為40 km/h，大氣溫度為293 K，柴油機熱煙氣口截面處的溫度為819 K，采用提出的數(shù)值計算模型進(jìn)行求解，可得到坦克熱煙氣溫度云圖，如圖4所示?？梢钥闯觯簾釤煔鈴呐艧煿芘懦龊螅鹗紖^(qū)的溫度較高，經(jīng)過與環(huán)境空氣混合后，在混合區(qū)和基本區(qū)溫度逐漸出現(xiàn)了衰減，這與實際情況基本符合，驗證了數(shù)值計算模型的正確性。

2 熱煙氣光譜透過率數(shù)值計算模型

2.1 基于Malkmus模型的均勻氣體光譜透過率數(shù)值計算模型

高溫氣體的數(shù)值計算模型一般有愛爾沙色模型、等線強度分布模型、Goody模型和Malkmus模型。其中，Malkmus模型原本是在氣象科學(xué)研究中提出的一種計算光譜透過率的數(shù)值計算模型，后來逐漸應(yīng)用到裝甲車輛以及高空飛行器所排出熱氣體的高溫輻射計算領(lǐng)域。與其他幾種數(shù)值計算模型相比，在計算高溫氣體光譜透過率時，如果波數(shù)間隔均取25 cm-1，Malkmus模型與通過大氣試驗得到的結(jié)果相比，最大的誤差僅為10%。如果再基于HITRAN數(shù)據(jù)庫采用最小二乘法進(jìn)行外推，在壓力<0.1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓且波數(shù)間隔為10 cm-1的條件下，與大氣試驗結(jié)果相比，Malkmus模型的計算誤差僅為1%。因此，對于一般的均勻氣體，Malkmus模型是精度較高的譜帶模型[6]。同時，Malkmus模型與紅外輻射計算模型C-G近似法相結(jié)合計算速度較快，且模擬得到的紅外輻射亮度值精度相對較高[4]。綜合以上2種模擬計算上的優(yōu)勢，在計算熱煙氣光譜透過率時選擇Malkmus模型。

在Malkmus模型中，均勻氣體的光譜透過率

(7)

0.058(1-xCO2-xH2O+0.1xH2O)]，

(8)

xCO2-xH2O)+0.106xCO2+0.036xO2]}，

(9)

式中：ps=101.325 kPa；Ts=293 K；xCO2、xH2O、xO2分別為CO2、H2O、O2的摩爾分?jǐn)?shù)。

2.2 基于Malkmus模型的非均勻氣體光譜透過率數(shù)值計算模型

利用Malkmus模型可以直接計算均勻氣體的光譜透過率，這種方法主要適用于高空飛行器的尾焰透過率的計算。但本文所研究的坦克熱煙氣中輻射氣體成分較多，是一種多分子非均勻高溫氣體[6-8]，因此必須對2.1節(jié)中的模型進(jìn)行一定的修正。修正后的基于Malkmus模型非均勻氣體的光譜透過率

(10)

各參數(shù)的計算公式分別為

(11)

(12)

(13)

3 熱煙氣紅外輻射計算及分析

3.1 基于紅外探測方向離散的熱煙氣紅外輻射計算模型

熱煙氣的紅外輻射屬于氣體輻射，具有強烈的波段選擇性，其中：CO2的輻射能量集中在2.7、4.3 μm波帶；H2O的輻射能量主要集中在1.9、2.7、6.3 μm波帶。通過分析熱煙氣的溫度場分布可知，熱煙氣的高溫區(qū)主要集中在初始區(qū)和基本區(qū)的x軸附近，因此按照斯蒂芬-坡爾茲曼定律，這些區(qū)域的紅外輻射特征最為明顯。但紅外探測裝置需要穿過外圍的相對低溫區(qū)才能探測到這些高溫部位的紅外輻射特征。因此，當(dāng)計算沿任意方向坦克熱煙氣的紅外輻射特征時，需要將該方向上所有氣體的紅外輻射亮度進(jìn)行疊加。筆者基于紅外探測追蹤的思想，利用離散計算的原理，提出了基于紅外探測方向離散的熱煙氣紅外輻射計算模型，如圖5所示，其中θ為紅外探測角度。該模型根據(jù)流場和溫度場計算的結(jié)果，按照精度的要求將沿紅外探測方向上輻射氣體溫度和壓力值接近的區(qū)域視為一層，則整個計算區(qū)域可劃分為若干層；然后利用熱煙氣光譜透過率數(shù)值計算模型逐層計算光譜透過率，利用C-G譜帶傳輸模型調(diào)用每層的壓強和溫度值，計算沿紅外探測方向的每層熱煙氣的光譜輻射亮度；最后將各層進(jìn)行疊加，就可以得到輻射亮度值[9-10]。

利用上述模型參照文獻(xiàn)[9]中給出的試驗參數(shù)，計算得到了熱煙氣在2～5 μm波段的相對紅外輻射強度，其變化曲線如圖6所示?？梢钥闯觯合鄬t外輻射強度在波長為2.7、4.3 μm附近出現(xiàn)了峰值，這與文獻(xiàn)[9]中相對紅外輻射強度分布的試驗結(jié)果相符，說明計算結(jié)果符合實際情況且精度較高，驗證了計算模型的準(zhǔn)確性。

3.2 熱煙氣紅外輻射特征計算與分析

當(dāng)紅外探測角度為0°～90°時，利用基于紅外探測方向離散的熱煙氣紅外輻射計算模型，計算坦克熱煙氣在3～5 μm波段的紅外輻射強度,結(jié)果如圖7所示。可以看出：坦克熱煙氣紅外輻射強度在垂直于熱煙氣x軸方向上的數(shù)值最大，這是因為在這個角度上，熱煙氣相對于紅外探測方向的投影面積最大，根據(jù)蘭貝特定律，紅外輻射強度值也最大；隨著紅外探測角度的減小，投影面積的減小必然會導(dǎo)致紅外輻射強度的減小，當(dāng)紅外探測角度為10°左右時，紅外輻射強度達(dá)到最小值；但紅外探測角度繼續(xù)減小時，紅外輻射強度會稍微增加，這是因為溫度最高的起始區(qū)的氣體輻射在向外傳輸過程中，經(jīng)過混合區(qū)和基本區(qū)時，會被該區(qū)域的低溫氣體吸收和反射，在紅外探測角度小于10°時，混合區(qū)和基本區(qū)對氣體輻射的衰減作用出現(xiàn)了下降，特別是在0°時，根據(jù)圖3所示，混合區(qū)基本上對起始區(qū)的氣體輻射不產(chǎn)生影響，因此紅外輻射強度出現(xiàn)略微增大，并在紅外探測角度為0°時達(dá)到峰值[10-11]。

4 結(jié)論

筆者對某型坦克的熱煙氣紅外輻射特征進(jìn)行了分析和研究，主要結(jié)論如下：

1) 對于坦克熱煙氣中的CO、CO2和H2O這3種主要輻射氣體，當(dāng)柴油機剛開始工作時，氣缸內(nèi)燃燒不充分，這3種氣體的摩爾分?jǐn)?shù)會達(dá)到峰值且數(shù)值較大；當(dāng)柴油機缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定后，CO2和H2O的摩爾分?jǐn)?shù)會出現(xiàn)下降并保持在恒定水平，因不充分燃燒而生成的CO則迅速衰減到0。因此，在研究穩(wěn)定工況下坦克熱煙氣的紅外輻射特征時，主要考慮CO2和H2O這2種輻射氣體。

2) 坦克熱煙氣的相對紅外輻射強度在波長為2.7、4.3 μm達(dá)到峰值，對熱煙氣紅外抑制措施進(jìn)行研究時要重點考慮這2個波段。

3) 熱煙氣在紅外探測方向上的投影面積、基本區(qū)和混合區(qū)對輻射氣體的吸收作用對紅外輻射強度的數(shù)值有較大的影響。本文中提出的相關(guān)數(shù)值計算模型對坦克紅外輻射計算有一定的理論參考價值。