坦克動力艙熱流場及紅外輻射特性分析

駱清國,魯 俊,趙 耀

(陸軍裝甲兵學院車輛工程系,北京 100072)

1 引 言

坦克動力艙即動力傳動艙,艙內主要布置了動力傳動裝置及其他復雜部件,空間狹小,結構緊湊,內部空氣流道不對稱。高溫熱源多,除去散熱系統(tǒng)的進排氣窗外,其余都是封閉狀態(tài)。

未來的主戰(zhàn)坦克為了進一步提高“生存能力”將繼續(xù)加大火炮的口徑和提高裝甲的厚度。因此,動力艙的布置尤為重要,采用發(fā)動機橫置和先進集成的動力傳動裝置的設計已是必然趨。目前動力艙普遍采用“先進集成設計”的布置,而動力艙空間的減小與發(fā)動機功率的增加導致熱負荷不斷持續(xù)增長,使得艙內溫度環(huán)境惡化,裝甲板溫度升高,紅外信號明顯,使坦克容易被各種紅外探測設備發(fā)現(xiàn)并打擊[1-3]。

本文基于計算流體力學的方法,用Fluent對坦克動力艙內流場進行了數(shù)值模擬。對于動力艙內產(chǎn)熱裝置熱邊界的獲得,目前主要有兩種方法,一是根據(jù)經(jīng)驗直接給出溫度,這種方法人為因素大,與實際結果可能會有較大出入。二是采用熱網(wǎng)絡法,將三維數(shù)值問題轉換為有多個節(jié)點構成的多個方向上的一維問題,能較準確的預測裝置表面的溫度,但此模型構建復雜,效率較低[4-5]。本文利用GT-SUITE軟件構建了柴油機及其輔助系統(tǒng)的一維傳熱模型,減少了計算時間,模型精度也符合工程需求。

動力艙裝甲板溫度場的獲得采用流固雙向耦合的辦法,將流體與固體耦合看做系統(tǒng)的內部條件,并考慮了太陽輻射的影響。再根據(jù)溫度場建立紅外輻射模型,為坦克紅外輻射特性抑制提供依據(jù)。

2 坦克動力艙仿真模型的建立2.1 幾何模型的建立

坦克動力艙從結構上可劃分為兩種,一種是開放式動力艙,即動力傳動裝置和動力艙散熱器風扇風道是相通的。一種是封閉式動力艙,即動力傳動裝置與冷卻風道之間用隔板隔離。本文針對封閉式動力艙,對幾何模型進行了簡化,保留了動力傳動裝置的基本外形,對一些細小凹凸不平且對流動影響較小的零件忽略,并主要考慮動力傳動裝置艙內的流體狀態(tài)和裝甲板溫度,對散熱器風道不與考慮。動力艙的幾何簡圖和其簡化的三維計算模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 封閉式動力艙

圖2 動力艙三維計算模型

2.2 動力艙空氣流場及裝甲板溫度場控制方程

2.2.1 動力艙空氣的計算模型

本模型的主要流動區(qū)域分為艙外空氣流動區(qū)域為和艙內流動區(qū)域。艙外區(qū)域主要考慮外界空氣環(huán)境的影響。艙內流域為動力艙裝甲板內表面與動力傳動裝置外表面之間構成的不規(guī)則風道。假定空氣為不可壓縮氣體,且為定常流動,流體的控制方程滿足流體力學三大方程即連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。

對于湍流模型,本研究選用標準k-ε模型,此模型普遍使用于各種工業(yè)應用,其收斂性和精確性都能滿足要求。方程如下所示。

湍流動量方程:

(1)

湍流動能耗散率方程:

(2)

式中,ρ為流體的密度;xi,xj為直角坐標系分量;k為湍流脈動動能;μ為流體分子的粘度系數(shù);μi為湍流粘性系數(shù)為ε湍流耗散率;σk是對k的湍流普朗特數(shù)c1ε、c2ε為常系數(shù);σε是對ε的湍流普朗特數(shù);Gk是由時均速度梯度引起的k的增量,且有:

(3)

2.2.2 裝甲板溫度場的控制方程

動力艙裝甲板與內外空氣發(fā)生對流換熱,且外部受太陽輻射的影響,同時裝甲板內部也存在著導熱,它們之間互相影響。這時要把裝甲板作為已知熱邊界條件并不可行。所以采用流固耦合的方法將裝甲板內外表面分別與內流場和外流場進行換熱耦合,從而把流固接觸面上的條件轉化為系統(tǒng)內部條件,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳遞。裝甲板溫度場的控制方程如下:

(4)

式中，k為熱導率；T為溫度；St為熱量源項。

2.3 計算網(wǎng)格的劃分

本文采用軟件ICEM進行網(wǎng)格劃分,本模型主要由動力艙外流場流域,動力艙內流場流域,和裝甲板固體域組成。對于動力艙外流場區(qū)域,理論上是指艙外無窮遠區(qū)域,在進行CFD計算時,綜合計算機性能和計算進度,最終確定外流場大小為4500 mm×4000 mm×2500 mm。

本文采用混合網(wǎng)格進行劃分,對于動力艙內流場和裝甲板固體域,其形狀復雜,用非結構化網(wǎng)格具有良好的適應性。對于外流場,采用結構化網(wǎng)格,可提高計算效率。整個網(wǎng)格數(shù)量最終為4952737個,劃分情況如圖3所示。

圖3 計算網(wǎng)格示意圖

3 邊界條件的設定

3.1 熱邊界條件的獲得

熱邊界條件是計算動力艙流場與裝甲板溫度場的重要條件,動力艙內主要發(fā)熱裝置為動力傳動裝置,其數(shù)值對結算結果影響較大。

3.1.1 動力裝置熱邊界的獲取

GT-SUITE是一款綜合的汽車仿真分析套裝軟件,包括許多模塊,可以進行集成仿真,并可以共享后處理模塊。柴油機在工作時候,其傳散熱過程主要可以看做以下幾個過程,先是內燃機內的高溫燃氣傳給燃燒室(氣缸蓋、活塞和氣缸體組成)；再由室壁的內表面?zhèn)鹘o外表面；又由室壁的外表面?zhèn)鬟f給冷卻介質(水、機油或空氣)。

本文用GT-SUITE對柴油機燃燒模型、機體一維傳熱模型、摩擦模型和冷卻系統(tǒng)進行了耦合,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳遞,得到不同工況下的柴油機的主要部件的溫度。柴油機的熱平衡方程為[6]:

Qt=Qe+Qw+Qf+Qres

(5)

式中,Qt為燃料燃燒產(chǎn)生的熱量；Qe為轉化為有效功率所產(chǎn)生的熱量；Qw為冷卻介質帶走的熱量；Qf排放廢氣中的熱量；Qres剩余熱流量。

柴油機的一維傳熱綜合模型如圖4所示。利用此傳熱模型,可得到動力裝置各壁面的溫度。對于水箱和機油箱,可得到其內流體的溫度,要得到其壁面溫度,可將其看做為中空體,內表面與液體發(fā)生對流換熱,外表面與空氣進行換熱,并看做穩(wěn)態(tài)一維傳熱,其數(shù)學模型如式(6)所示。[7]

圖4 柴油機一維傳熱綜合模型

(6)

式中,tf1,tf2分別為箱體內外流體的溫度;h為表面換熱系數(shù);λ為材料導熱系數(shù);δ為材料厚度。計算結果顯示,箱體壁面溫度接近箱內流體的溫度,可近似看做相等。

3.1.2 傳動裝置熱邊界的獲取

本裝甲車列裝的是新型綜合傳動裝置,其內情況復雜,主體結構是由箱體、傳動錐齒輪,液力變矩器,行星變速箱,無級轉向機,匯流行星排,液力減速器等部件構成的[8],想要直接求出箱體壁面溫度十分困難,本文直接給定溫度為328 K。

3.2 其他邊界條件的設定

在計算域的入口,給定為壓力入口邊界條件,在計算域的出口給定壓力出口邊界條件,在分析區(qū)域的左、右和頂側,設置為對稱邊界條件,這樣可以獲得更好的收斂效果。

另外,本文考慮了太陽輻射,設定為離散坐標(DO)輻射模型,此模型基本適用范圍廣,考慮因素多,計算精度較高。

4 動力艙CFD計算結果分析

本模型給定工況為:大氣壓力為101.325 kPa,溫度為300 K,發(fā)動機轉速2000 r/min,以最高檔、最高速度行駛。

圖5為Z=1.8截面處速度云圖,因為封閉式的動力傳動裝置外壁風道沒有通風裝置,艙內的流體主要靠自然對流,僅有尾裝甲板處開有風口,但不能使艙內空氣流動起來,所以艙內流速基本接近于0。

圖5 Z=1.8 m處速度云圖

圖6和圖7分別是Z=1.8 m處和Y=0.29 m處的溫度場云圖,圖6的最高溫度出現(xiàn)在排氣管周圍,可達近700 K。圖7為位于排氣管上方,此處布置較為復雜,可以看出增壓器附近區(qū)域溫度都比較高。

圖6 Z=1.8 m處溫度場云圖

圖7 Y=0.29 m處溫度場云圖

封閉式動力艙由于沒有外界冷卻空氣進入帶走高溫部件的表面的熱量,會變成一個封閉的 “死腔”導致高溫部件附近熱量積累,平均溫度較高。長此以往,必將降低柴油機的可靠性和縮短柴油機壽命,應對其進行優(yōu)化設計。

5 動力艙裝甲板紅外輻射模型的建立與結果分析

由Fluent得到動力艙裝甲板的溫度場后,利用有限元的思想,將裝甲板劃分為多個區(qū)域,在溫度梯度大的地方,劃分密集；在溫度變化小的地方,劃分稀疏。并認為各個單元的溫度不變。每個單元可由自身發(fā)出的熱輻射和它對外界輻射的反射兩部分組成。

5.1 自身輻射

自身輻射主要對普朗克公式積分計算,其表達式為:

(7)

式中，Eλ1-λ2是單元在λ1-λ2波長上的光譜輻射照度；c1,c1為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)；T為單元的溫度。一般來說,考慮3～5 μm和8～14 μm兩個大氣窗口波段。

5.2 反射輻射

裝甲板的反射輻射公式為:

(8)

(9)

I=L·ΔA·cosθ

(10)

其中，ε為面源的發(fā)射率；ΔA為面源的面積；θ為探測器與面源法向的夾角。

5.3 紅外輻射計算結果分析

仍取本文第3節(jié)的仿真結果進行分析,由于動力艙前側裝甲板與車身連接、兩側裝甲板被行走裝置和裙擺遮擋、底部無法探測、所以不以考慮。本文只對上側裝甲板和為側裝甲板進行計算。

圖8為上裝甲板和尾裝甲板光譜輻射亮度隨波長的變化圖,由圖可以得出以下幾點結論:

圖8 裝甲板光譜輻射亮度變化圖

一是上裝甲板的紅外輻射亮度高于后裝甲板,這是主要是因為上裝甲板與柴油機增壓器和機油箱發(fā)生對流換熱和輻射換熱,導致裝甲板溫度較高,紅外輻射亮度較強。

二是可以看出裝甲板光譜輻射亮度隨著波長增加,先增大,然后減小,其峰值在9 μm左右,所以裝甲板在8～14 μm波段的輻射亮度要遠大于3～5 μm波段的輻射亮度,對裝甲板的紅外探測應以8～14 μm波段的信號為主[10]。其次,裝甲板的溫度對8～14 μm波段的紅外輻射有著顯著影響。

由公式(10)可得,紅外輻射強度的大小與觀測的角度有關,為研究方便,本文取垂直面XOZ平面為觀測的平面,0°是坦克正前方,90°從坦克正上方,180°為坦克正后方。分別對裝甲板在3～5 μm和8～14 μm波段的紅外輻射強度進行計算。計算結果如圖9和圖10所示。

圖9 裝甲板3～5 μm波段輻射強度方向圖

圖10 裝甲板8～14 μm波段輻射強度方向圖

由圖8、圖9可以看出,8～14 μm的紅外輻射強度比3～5 μm的紅外輻射強度大一個數(shù)量級,紅外輻射強度方向圖整體呈梨型形狀,裝甲板的輻射在前方強度較弱,這是因為車身和炮塔的遮擋作用,紅外輻射強度最大值約出現(xiàn)在120°觀測角,這是由于尾裝甲板和上裝甲板的共同作用而造成的。上裝甲板相對于尾裝甲板,溫度高、面加大,所以在90°觀測方向的紅外強度大于180°觀測方向的紅外強度,梨型的凸起部位也向上偏移。

6 結 論

本文以某型坦克動力艙為研究對象,利用軟件Fluent對艙內熱流場進行了數(shù)值模擬,得到艙內熱狀態(tài)；利用流固耦合傳熱的方法獲得了裝甲板溫度場分布,進而建立紅外輻射模型,獲得了動力艙裝甲板的紅外輻射特性,可得到的結論如下:

(1)利用汽車綜合軟件GT-SUITE可以得到不同工況下柴油機及其附屬部件壁面溫度,可為動力艙的CFD計算提供熱邊界條件。

(2)由于封閉式動力艙內流動性差,會造成艙內熱量的堆積,艙內溫度最高可達700 K,出現(xiàn)在排氣管周圍,過高的溫度會影響艙內發(fā)動機的壽命和電子元件的使用。

(3)通過對動力艙裝甲板紅外輻射特性的計算結果來看,動力艙上裝甲板輻射強度較大,主要是原因離增壓器和機油箱較近。并且裝甲板的紅外輻射主要集中8～14 μm波段。

(4)本文可為動力艙內流場的優(yōu)化和裝甲板紅外輻射特性抑制研究提供參考。