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1、羽流的红外辐射特性计算成志铎（南京理工大学动力工程学院，南京 210094）摘要：为了研究坦克尾向的红外辐射特性，利用计算流体力学软件FLUENT对坦克尾向流场 进行数值模拟。模拟不同的排气速度、不同的喷口数目、不同的尾气成分以及有无风速这四 种工况,进而分析这四种不同工况下的速度场、压力场、浓度场、温度场的分布情况，以及 各个面的红外辐射量的对比，得出各个因素对辐射量影响的大小。由模拟结果可以看出有无 风速对各个面辐射量影响最大；在喷口数目不同时左右两个侧面的红外辐射量的改变都接近 50%；在出口速度增加了 67%时，右侧面的辐射量约增加1.6 倍；不完全燃烧比完全燃烧尾 气对上表面的辐射量
2、增加了 21%。这些模拟结果一定程度为坦克排气的红外辐射特征研究 提供了依据。关键词： 羽流 坦克排气 流场 红外辐射引言从第二次世界大战以来，坦克在战争中一直作为地面战的主要进攻型武器。发挥了很 大的威力，越来越多的国家在研制先进的反坦克武器。在这些反坦克武器中装有红外识别传 感器，用以对坦克进行识别从而进行攻击。另一方面，坦克红外伪装隐身技术也在向前发展。 为了提高这些武器的识别与反识别能力，必须对坦克目标本身在不同工作状态下，相对于不 同地物背景下的红外辐射特性进行深人细致地研究。1而为了提高坦克的机动性、攻击性和防护性等性能，坦克发动机的功率不断升高，柴 油机燃烧气体的温度以及燃烧产生
3、的废气量大大增加，柴油机标定工况时的排气温度可达 800 K以上。坦克排出的废气中主要二氧化碳和水蒸气组成的，其光带均位于红外线的波长 范围，这样会使坦克防护性能下降，因此对其尾气红外的计算对坦克是非常重要的。而要研 究坦克排气的红外热辐射特征，首先需要了解排气流场与温度场的分布情况。2由于羽流的实际实验比较难做，所以大多是通过模拟，来验证处理方法的正确性，再 应用于实际情况中。而在以前的研究方法中，在流场及壁温计算中采用了较简单的处理方法， 没有将排气系统的三维流场计算、壁温计算与红外辐射计算结合起来。同时，计算结果缺乏 与实测数据的比较和检验，不能适应工程应用的要求。本次设计将会采用FLU
4、ENT软件模拟出 坦克发动机羽流的三维速度场、压力场，温度场以及浓度场，从而非常直观地看出尾气羽流 的过程，为排气系统羽流的红外辐射特性的分析研究做出了具有工程应用价值的工作3。1 控制方程假设坦克的运行处于某一稳定的工况，即可以认为发动机的排气流动不随时间的变化而 改变，所以可以当做稳态问题处理。本文采用三维、稳态、可压的连续性方程、动量守恒方 程、能量守恒方程、标准双方程湍流方程、组分方程、do方法来描述坦克的尾气的流动及 辐射传热问题：d（p ） 。（p u ） a op连续性方程（质量守恒方程）：一+ mj =PD）（1）ataxaxax pjjj动量方程(运动方程)：dtaxja 2
5、 a(pu u ) =(P pk) + c3axijji jaxja(pE)aau+(pu E) = Pataxj能量方程:jQ(pE)a组分方程：标准k-s模型的湍动能k和耗散率8方程:rjaJ j + ps axaxjjuc)，K =古3)4)a a a(PK)+(pKU )=ataxiiaxjakaxj+ G +Gk ps YbM5)aa(Ps) +(psu )=ataxiiaaxjasaxj+ C1s k (Gk+ C G ) C3s b2s6)DO 辐射方程4:V (r, F) 了) + (a +c )I(r, 5) = an2T4sJ4 兀 i (F, r )0( r, ?)d q
6、 兀4兀o7)此外对于可压缩流体，需要补充采用气体状态方程和热力学关系作为上述基本控制方程的补充:pmWm8)二 c (T) T vmRT010)E = E(E 匕)mpmc (T) = YBm c (T)pp pm联合以上所有方程，构成一个封闭方程组。2 模拟过程2.1 建立模型图1 计算区域三维实体模型图2 三维模型网格划分后的正视图数值计算模拟的第一个步骤是建立几何模型。按照坦克排气管实际的尺寸，本文的计算 模型如图1 所示，前面的一段圆管为排气管，后面的立方体为计算的区域。为了能够准确的 描述流场，立方体足够大，尽量将最多的尾气都包含在内，这里取一个三维空间(8mX7m X6m)进行模
7、拟。喷管长0. 5m，直径0.15m (这里对喷管进行了很大的简化，没有考虑实 际的样子，因为本文关心的是外流场的参数性质，这样简化是可以接受的)。2.2 利用 Gambit 生成网格数值计算模拟的第二个步骤是在建立的模型上正确划分网格。在本文中对模型进行非结 构化网格的生成，采用四面体的小单元进行划分，由于区域较大在保证计算结果准确性的情 况下，为了计算方便网格划分不是非常的紧密(intervalcount=30)三维模型网格划分的 正视图如图2 所示。2.3 边界条件表2.1 和2.2分别是本次设计模拟中无风速和有风速的情况下各个面边界条件的选择情况：2.1无风速情况各个面的边界条件对象边
8、界条件左侧面压力入口右侧面压力出口上面压力出口底面压力出口前面压力出口背面压力出口喷口喷管速度入口（出口速度分别为10、8、6m/s）固定壁面（定温T=400K）2.2有风速情况各个面的边界条件对象边界条件左侧面压力入口右侧面压力出口上面压力出口底面压力出口前面速度入口背面压力出口喷口速度入口（出口速度分别为10、 8、 6m/s）喷管固定壁面（定温T=400K）2.4 研究的工况本文为了更好了解尾气羽流的辐射特性，模拟了坦克在不同的排气速度、不同的喷口数 目、不同的尾气成分以及有无风速这四种情况。根据一些经验参数，本文的分别模拟尾气速 度为10m/s, 8m/s, 6m/s的情况。由于在实际
9、环境中往往都有风速，根据一般实际情况中风 速大概为4m/s。具体的速度工况按照表2.3进行模拟。表2.3模拟的对应速度工况单喷管尾气速度（m/s）双喷管尾气速度（m/s）风速（m/s）1050484046304同样对于尾气混合气体的定义是非常重要的,本次模拟只对尾气进行两种情况的分析不完全燃烧和完全燃烧。具体的尾气成分工况按照表2.4进行模拟。表2.4模拟的对应尾气成分（质量分数）组分不完全燃烧成分（%）完全燃烧成分（%）CO20.740.76O20.010CO20.130.13CO0.0060H2O0.110.11C0.00403 模拟结果与分析3.1 喷口不同排气速度及工况的对比分析在无风
10、速的情况下不同排气速度所形成流场的各种参数是不同的，图 3.1显示了不同喷口速度Z=1截面上速度分布的对比，图3.2显示了不同喷口速度Z=1截面上温度分布的对比, 图3.3显示了不同喷口速度Z=1截面上压力分布的对比，这里仅以出口速度10m/s和6m/s 为例进行说明。614*OO5 83*00 I 3 5W00 I 5 2LOO I 4 9U*M I 4 ei*m 4 3te*00 30900 I 368003 3te00 I 5O7e*OO I 2 /TOO I 2 4fto00 I 2 3OO I 1 B4o001 WOO12009210161U-0130Z1ooaOQ(a)(b)(a)
11、 出口速度 V=10m/s(b) 出口速度 V=6m/sSOOrHU I I 3OWO2 I 3X023 45023 34O23 24e*O23 t4e*O23 03e*02S00t024 9ObO2 I 4 te02 I 4 09eO7 I 4如8 I 4 4BO24 3teO24 2teO2I 4 ira?4 O7O2I畑I Sftta-i2 I 1Z02 I 3ga? I no?5 45e*a?)34畑324*a?3na?93aO7(a)(b)图3.2不同喷口速度Z=1截面上温度分布的对比(T)(a)出 口速度 V=10m/s(b)出 口速度 V=6m/s101050105 I 01*0
12、5 I 10105 I 0105 I 0105 1 0105 01*05 I 101050105 I 0,05 I 0仙05 I 1 WU5 I 1 G10b I 1 01o051 0W05101*051 Q1*0510(0S1 0105(a)(b)图3.3不同喷口速度Z=1截面上压力分布的对比(Pa)(a)出 口速度 V=10m/s(b)出 口速度 V=6m/s而对于同一条线上(这里取喷口轴线以及在流场中的延长线，即从点(-4.5,-2,1)到点(4,-2,1)的线上)各种参数的变化趋势如下几个图所示：图3.1不同喷口速度Z=1截面上速度分布的对比(m/s)(a) (b)图 3.4 流场中喷
13、口轴线上气体速度的变化趋势(a)出 口速度 V=10m/s(b)出 口速度 V=6m/s5 25O24 50* *02I 00*022 23.90023 25*02:750：staticTemperature(a)(b)图 3.5 流场中喷口轴线上气体温度的变化趋势(a)出 口速度 V=10m/s(b)出 口速度 V=6m/s(a)(b)图 3.6 流场中喷口轴线上气体压力的变化趋势(a)出 口速度 V=10m/s(b)出 口速度 V=6m/s当喷口拥有不同出口速度时，对应面上的辐射量是不同的，表3.1体现出口速度由6m/s增加到8m/s再增加到10m/s时各个面上的辐射量大小的对比。表3.1不同喷口速度空间六个表面的辐射量(W)对象喷口 V=6m/s 时的辐射量喷口 V=8m/s 时的辐射量喷口 V=10m/s时的辐射量左侧面-9.9921541-11.263824-11.810088右侧面-1.5827879-2.5712221-4.1365137正面-8.8917103
