基于Fluent二次开发的装甲车辆红外仿真

郑朝亮，杨余旺，林 益，雍成成，林群青

(1.南京理工大学 计算机科学与工程学院，江苏南京210094)

(2.南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京210094)

20世纪中期以来，红外成像仿真理论与技术获得了高速发展，并且已经成为当今高科技领域内的一大热点.在同一时期，美国开始了对飞机、坦克等军用设备的红外隐身研究［1］.另外，随着红外制导技术的高速发展和不断成熟，以此为基础的红外制导武器也已逐渐成为军用装甲车辆的一个主要威胁［2］.与国外发达国家相比，我国在目标红外辐射特性研究方面起点较低、起步较晚，这方面的工作在七五之后才逐渐开展.一些重点科研单位也逐渐开始分析和研究一些特殊背景的红外辐射特性.

文中采用VC++对Fluent进行二次开发，通过VC平台向Fluent发送命令，Fluent向VC平台进行信息反馈的方式，编制了装甲车辆红外仿真程序，并且在程序中加入热模型、地面背景计算模块等Fluent不具备但对于车辆红外仿真来说是必须的功能，最终形成针对车辆红外仿真较为方便、快捷、全面的模拟计算程序.

1 参数化设计

1.1 Fluent的二次开发

Fluent因具有简单的界面，丰富的物理模型，以及快速的计算能力而广泛应用于各行各业，如计算热传导模型、辐射模型、离散相变模型等，这些对于红外辐射的计算有着巨大的帮助.为了方便CFD软件工程师更快速地对工程进行分析计算仿真，可对Fluent进行二次开发，形成专门服务工程的仿真平台.文中利用VC++语言对Fluent进行二次开发的关键性技术进行了研究.

1.2 红外仿真计算模块

为了弥补Fluent软件在装甲车辆红外模拟计算方面的不足，引入教研室所编制的红外辐射计算模块以及地面背景计算模块，提取其核心计算程序，与软件程序进行整合，完善整体软件程序的计算功能.在程序中加入构件热模型、地面背景计算模块和红外辐射计算模块等Fluent不具备，但是对于装甲车辆红外仿真来说必须的功能，最终形成用于车辆红外仿真的较方便、快捷、全面的模拟计算程序.

在VC++中引入Fluent的类型库文件后，驱动程序的基本流程如下:①如果Fluent尚未启动，则启动Fluent;②导入装甲车辆的msh文件;③网格处理及参数确定，以合适的尺寸位置在本程序显示;④热模型设置，包括通用模型、材料设置等;⑤红外辐射计算;⑥后处理.

2 红外仿真数学模型

模拟计算坦克装甲车辆与地面背景的温度分布，包括坦克装甲车辆本身的热计算以及地面背景的热计算.其中地面热模型主要包含太阳辐射、天空背景辐射、天空大气辐射等.除此之外，在车辆与地面相近的空间需要考虑车辆与地面之间的热交互，远离该区域的热交互由于相对微弱，因此可忽略不计.具体构成如图1.

图1 装甲车辆与地面背景温度场的计算组成Fig.1 Calculating composition of armored vehicles and the ground temperature field background

2.1 地面背景热模型

地面背景的温度计算基于教研室特定编制的地面背景温度场计算程序.为了提高计算准确性修改其计算程序所用到的太阳辐射模型，加入与Fluent软件相同的太阳辐射模型，确保计算时地面背景与坦克车辆所吸收到的太阳辐射强度的一致性.计算时综合考虑了大气辐射、自身辐射、潜热通量、显热通量等，最终得到地面背景随时间变化的温度场.其中地表能量的热平衡方程式为［3］:

式中:Qsun为地表所吸收的太阳短波辐射;Qskyr为地表所吸收的大气长波辐射;Mg为地表自身辐射;H为地表显热通量;LE为地表潜热通量;G为地表所得热通量.

2.2 太阳辐射

白天，装甲车辆处于自然环境下，太阳辐射是该车辆与地表的主要外部热源，对装甲车辆表面与地表的温度分布影响极大，从而影响它们的红外辐射强度.由于时间不同，太阳辐射强度的差别很大，所以太阳辐射模型的精确与否对整体车辆与背景的温度场计算影响很大.Fluent中所采用的太阳辐射模型为ASHRAE模型，包括太阳直射、太阳散射、周围地物反射等［4］.到达物体表面的太阳辐射为:

式中:Et为物体表面接受到的太阳辐射;EDN为物体表面接受到的太阳直射;Ed为太阳散射到达物体表面并且被其接受的数值;Er为周围地物反射到达物体表面并被其接受的数值;θ为物体表面的法线与太阳射线之间的夹角.

2.3 天空大气辐射

天空大气辐射是一种长波辐射，当太阳光线穿过大气时，一定比例的能量会被大气吸收，再加上地球反射的一部分热量被其吸收之后，最终使得天空大气如地面背景一般具有一定的温度，从而对地面以及目标物体产生辐射.物体表面接收到的大气辐射为［5］:

式中:ε为地表的发射率;σ为Stefan-Boltzmann常数，σ =5.67 ×10－8W/m2.K4;Tα为空气温度;εsky为大气等效发射率，其值一般采用Brunt方程来得到.

式中:eα为空气中水蒸气的分压力.计算方程为:

式中:rh为大气湿度.

2.4 装甲车辆热模型

车辆与外界自然环境进行热交换的3种主要途径分别是辐射、传导和对流.实际上，对于红外辐射有价值的物体表面大都是暴露于外界环境的空气中，因此在一般情况下，装甲车辆主要通过对流和辐射与外界进行热交换，并且当车辆在行驶时，车轮、动力舱以及排气管等都会产生大量的热量，进而通过内部热传导以及辐射的形式影响车辆表面的温度分布.

影响车辆外表面温度分布的主要因素有地面辐射、太阳辐射、天空背景辐射等.对于本程序研究的装甲车辆外表面而言，存在如下边界条件［6］:

式中:n为表面外法线方向;Qradi为外界自然环境对目标表面产生的辐射;Qrado为目标自身的辐射;Qconv为目标物体表面与外界自然环境间的对流换热系数.其中外界环境作用与目标物体表面之间的辐射主要包括太阳辐射、地面辐射以及天空背景辐射，它们的关系为:

其中地面辐射为:

式中:εground为地面发射率;Tground为地面温度;ε为目标表面发射率.

目标表面向外界辐射的热量，可以由Stefan-Boltzmann定理计算得出:

式中:T为目标表面温度;ε为目标表面发射率;σ为Stefan-Boltzmann常数.

σ =5.67 × 10－8W/m2.K4

目标物体外表面和大气之间的对流换热产生的热量为:

式中:Tair为空气温度;H为目标外表面对流换热系数，它的值与目标车辆的运动速度和风速相关，由于实际计算中对装甲车辆不同区域给定精确的对流换热系数是不太可行的，广为采用的计算公式为［7］:

H=0.7331|T－Tair|+1.9ν+1.8 (11)式中:ν为实际风速与目标车辆运动速度之间的矢量和;Tair为空气温度;T为目标车辆表面的温度.

2.5 红外辐射特性

众所周知，自然界中的所有物质，只要它自身的温度大于绝对零度，必然会不断地以电磁波的形式向外界环境释放能量，规定这种能量传递的方式为热辐射.常温下，自然环境中所有物体的热辐射都将包括红外辐射.所有物体表面的红外辐射都必然包括自身辐射和反射辐射这两种形式.

2.5.1 自身辐射

在已知物体表面温度的前提下，根据普朗克公式对对应大气窗口下的波段范围进行积分求解，即可求得该大气窗口下物体表面的自身辐射值，具体计算方法如下:

式中:λ1，λ2为红外波段范围的上下限(μm);T为单元表面温度(K);ε(λ，T)为物体外表面的实际发射率，它的值由波长λ和温度T决定;C1为第1辐射常数，其值为3.742×108W·μm4/m2;C2为第2辐射常数，其值为1.439×104μm·K.

2.5.2 反射辐射

物体表面的反射辐射根据所处环境不同而有所不同，处于一般自然环境下物体表面的反射辐射，主要有天空和地面背景辐射反射、太阳辐射反射和其他单元物体表面辐射反射，它们之间的关系为:

式中:ρisnufnra为红外波段范围内物体单元表面接收到的太阳反射率;qisnufnra为红外波段范围内物体单元表面接收到的太阳辐射值;ρinfra为红外波段范围内物体单元表面接收到的反射率;qisnkfyra为红外波段范围内物体单元表面接收到的天空背景辐射值;qijnfra为红外波段范围内物体单元表面接收到的其他单元表面辐射值;N为单元表面个数［8］.

通过上述计算，得到车辆表面单元总辐射通量为:

3 结果分析

3.1 软件程序与Fluent的交互

软件程序的温度计算模块主要依靠Fluent软件.软件程序与Fluent之间的交互，是本软件的主要功能之一.

本软件通过void do－commands(CStringArray＆str)函数向Fluent发送命令，通过int getFluentWindow-布具有一定影响，但已经不是车辆的主要热特征.并且随着车辆发动机运行时间增加，与之相对应的车辆表面温度也随之不断上升，最终由于热平衡达到稳定状态.受到辐射的地面也是如此.Lines()以及CString getFluentWindowLine(int n)语句对Fluent命令窗口的信息进行检索及反馈.前者检索窗口信息的行数，后者返回第n行信息的内容.

通过上述函数可以实现本软件程序与Fluent之间的交互通信，为装甲车辆的温度和红外分析作好准备.

3.2 装甲车温度特征分析

在阳光不强烈或太阳未升起的清晨，装甲车辆发动机以及排气管这类高温发热体就成为了整体车辆最主要的热特征部件，并且这类高温部件以热辐射的形式影响了与其相邻的部件和地面.图2，3中，太阳辐射开始影响车辆整体的温度，但是可从图中看出，此时太阳辐射强度虽然对车辆的温度分

图2 车辆热静态上午8时的温度分布Fig.2 Temperature distribution of vehicle thermal static at 8:00 am.

图3 车辆热静态上午10时的温度分布Fig.3 Temperature distribution of vehicle thermal static at 10:00 am.

在此状态下，装甲车辆表面某些易受影响的区域具有较为显著的温度对比，形成了一定的高温区域，在模拟的红外热图像上表现为该区域亮度较高.

3.3 装甲车红外特征分析

装甲车辆的红外辐射强度随着时间的推移而逐渐增加，图中亮度高的区域表示该区域温度高，红外辐射强度大;相反，图中对应的亮度较低的区域表示该区域温度较低，从而红外辐射强度也较小.图4表明，随着时间的推移，大气温度的升高，太阳辐射的强度会随之增加，从而车辆表面的红外辐射通量也将随之增大.

图4 装甲车辆在7时和11时的红外特征Fig.4 Infrared signature of armored vehicles in 7:00 and 11:00

4 结论

文中通过分析Fluent软件在装甲车辆红外仿真模拟方面的局限性，采用Visual C++6.0开发语言、专业图形程序接口 OpenGL、微软基础类库MFC对Fluent进行二次开发，成功编制了装甲车辆红外仿真程序.通过分析装甲车辆不同状态下的温度特征图与红外特征图，得到了在不同状态下几处较为明显，可能成为探测重点的热特征.本软件给Fluent使用不熟练的用户带来了极大的便利，对于他们学习混合编程也大有裨益.

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