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1、中国木I 程学会谤护I 程分会第丸次学术年会论文集1 2 2 1单机掩蔽库热红外伪装技术 研究基础一温度场分布的分析刘保荣1 戴海洋1 许卫东2( 空军后勤部机场营房部，北京1 0 0 0 7 2 ；二解放军理工大学，南京，2 1 0 0 0 7 )摘要：为分析研究单机掩蔽库热暴露征候和热红外伪装技术设计，奉文以稳态热传导傅立叶定律、牛顿玲却定律为基础，引入有限元分析方法，建立了单机掩蔽库温度场分布有限元分析模型，可对不同构造、材料和形状的构筑物进行温度场分析，对于单机掩蔽库以及相关工程设施热红外伪装技术的深人研究具有重要理论指导意义。美键词：单机掩蔽库热红外伪装有限元分析l刖罱现代战争尤其是
2、科索沃战争以来，战场侦察、制导攻击技术的发展和相关装备的现役程度提高对机场工程尤其是为飞机提供必要防护功能的单机掩蔽库以下简称机库) 构成巨大威胁。机库体积庞大、呈半园弓形，暴露征候十分明显，通常采用迷彩、遮障甚至覆土等措施进行伪装，在可见光波段具有一定的效果，但在热红外、雷达侦察波段，由于诸多因素的限制，研究报道甚少。本文就机库的热红外伪装技术设计问题进行简要讨论。长期以来，阵地工程热红外技术研究中通常采用红外光谱仪、辐射测温仪、热像仪等设备对工程进行探测，尤其是热像仪可以获得目标的热暴露特征参数和红外热图，并由此开展热红外伪装的相关技术设计。但由于目标及其周围背景的热红外特征具有时闾动态性
3、和空间分布性，从个别时间段或时间点的红外热图出发研究热红外伪装技术，难以满足在整个时间段均具有热红外伪装效果的需要。因此，进行机库热红外特征研究，建立相关理论体系、寻求科学的分析手段，对于深入研究并获得有效的热红外伪装技术、材料、器材等具有重要意义。运用传热学的基本理论，本文构建了机库温度场分布有限元分析模型，根据有关数据，分析获得其温度场分布国，在此基础上可以研究采用隔热技术后机库温度场分布，这对于机库热红外暴露征候分析和热红外伪装技术的深入研究具有重要理论指导意义。2 机库温度场分布的简要计算模型2 I 机库稳态热分析基本模型从较长时间段看，机库表面可理想为稳态传热状态。根据能量守恒条件，
4、机库自身产生1 2 2 2 裁保荣等：单机掩蔽痒热红於伪装技术研究基础一温变场分布的分析的热量加上流人的热量应等于流出的热量，即：Q 瘫人+ Q 生成一Q 梳出= O( 2 一1 )一方面，阳光照射、空气对流加热( 或冷却) 对于机库表面有辐射、对流传热作用；另一方面，机库内的热量( 如飞机、人员、工作中的设备等) ，通过钢筋混凝土结构向机库表面传导和扩散。根据热传导傅立叶定律，在理想化的各向同性均匀介质中，任意一点处的热流密度矢量g 与该点处的温度降度成正比 2 】，即：) f q = 一k V t = 一k g r a d t = - k ；二- H( 2 2 ) d n式( 2 2 )
5、中，栉表示单位法向矢量；勉表示温度沿_ r l 方向上的导数；V 为哈密顿算子。当温度场不随时间而变化，则称为稳态温度场。t 为导热体的导热系数。单位时间内，经等温面上面积A 传导的总热量称为热流量，用Q 表示，有：Q = 。q d A = 一J k ( 芝- ) d A( 2 _ 3 )对于任意位置的面积A ，传导的热流量为：Q = q c o s q x A = 一 七( 芸) C O S 耐( 2 4 ) o 九妒表示面积A 上各点处的法线与该处等温面法线之间的夹角。考虑机库表面受到空气对流作用，根据牛顿冷却定律，热流密度由( 2 5 ) 表示： q 2h a t( 2 - 5 )式中，
6、h 、A t 分别为对流换热系数和圈壁( 机库表面) 一流体( 空气) 之间的温差。考虑阳光辐射作用，其热流量可由下式表示： D ：O T l 4 - o - E T 2 4。 R ，( H )式中，0 ：斯蒂芬一波尔兹曼常数，：视机库为灰体条件下的表面发射率，L 、毛分别为辐射源和接受体表面温度，R ，辐射换热热阻。2 2 边界条件的确定机库热分析的边界条件应考虑为第一类边界条件，即内部边界上的温度函数为已知，公式为： r l ，= L( 2 _ 7 )式中，F 为机库内部边界，瓦为边界温度，这个温度比较容易测得而且相对便于控制。显然根据传热学原理，在给定初始条件和边界条件后就可以从三种基本
7、传热方式( 传导、对流和辐射) 的求解基本公式，得到其温度场分布的解析解，但由于机库外形庞大、钢筋混凝土体系复杂，计算量比较大，人工求解往往比较困难，难以得到解析解。而有限元法是求解复杂工程问题的一种近似数值解法，目前主要用于建筑工程板、壳和实体等连续体固体力中国本I 程学会磅护I 程分会第九次学术年会论文集1 2 2 3学分析，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算。有限元分析( F E A ，F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i s ) 的基
8、本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的近似解。有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。3 机库温度场分析有限元程序及求解3 1 机库理想化模型为采用有限元分析机库温度场进而进行热红外伪装技术设计，首先建立典型机库模型( 见图3 1 ) 。机库由钢筋混凝土构成，受到阳光的照射，有空气对流作用，库内有设备或装备。在稳态条件下，机库内的温度为3 5 ，且存在具有热辐射的工作设备。在有阳光地照射下，空气温度为2 8
9、 ，且存在对流。为简化计算，本文将空气温度作为荷载附加在机库表面，并考虑对流作用。： I 太阳 再空气橱筋馄凝土图3 一l 典型机库热分析模型3 2 有限元分析的主要步骤和结果由于篇幅限制，本文相关计算过程和数据无法详尽列出，这里对采用有限元分析方法求解机库温度场分布的主要过程和结果加以简要阐述。采用有限元研究机库温度场分布可分成三个阶段，前处理、处理和后处理【l 】。( 1 ) 问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域，此所谓建模。( 2 ) 求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小则
10、离散域的近似程度越好、计算结果也越精确、但计算量将增大。在上述实体模型构建完成后，划分有限单元，采用的维度为2 一D ，节点数为4 ，自由度为温度，得到图( 3 2 ) 机库温度场分析有限元模型。1 2 2 4羽保荣等：单槐掩蔽库热红补伪装技术研究基础一温度场分布盼分析图3 2 机库温度场分析有限元模型( 3 ) 加载边界条件得到图3 3图3 0 加载边界条件后的模型( 4 ) 总装求解：经求解，得到机库温度场分布图( 3 - - 4 ) 。图中清晰地显示，在稳态条件下，机库内温度接近4 4 ，热量向机库钢筋混凝土层四周扩散，温度场也有高到低向四周呈辐射状分布，由于存在阳光照射和空气对流，机库
11、外表面达到3 5 ，而气温( 环境温度) 为2 8 。C 。因此，但机库表面与周围环境具有一定的差别，易为热红外侦察所发现甚至识别。中国本I 程学会醅护I 程分会第丸次学术年会论文集1 2 2 5图3 1 4 防护门温度场分布4 结语本文建立了单机掩蔽库温度场分布有限元分析模型，可用于研究单机掩蔽库热暴露征候和热红外伪装技术设计，其以稳态热传导傅立叶定律为基础，引人有限元分析方法，本模型还可用于不同构造、材料和形状的构筑物进行温度场分析。这对于单机掩蔽库热红外暴露征候和伪装技术的深入研究具有指导意义。然而，由于当前将有限元方法引入单机掩蔽库热红外伪装研究的文献和实践比较少，加上作者水平有限，因此本模型和所提出的方法可能还存在诸多改进的空间，敬请相关专家批评指正。参考文献【1 】金建铭，电磁场有限元方法，西安电子科技大学出版社，1 9 9 8 年【2 l程俊国等，高等传热学，重庆大学出版社，1 9 9 1 年8 月
