基于CFD方法的红外烟幕干扰性能研究

徐路程，肖凯涛



基于CFD方法的红外烟幕干扰性能研究

徐路程，肖凯涛

（防化研究院，北京 102205）

采用计算流体力学方法对一平坦开阔地域的风场进行数值模拟，运用离散相模型对红外烟幕在该区域的扩散进行计算，得到了红外烟幕质量浓度的三维空间分布，并由Lambert-Beer定律计算出红外烟幕在跨风方向上的有效遮蔽区域，研究了风速对于红外烟幕遮蔽区域的影响规律。

红外烟幕；计算流体力学；离散相模型；Lambert-Beer定律

0 引言

红外侦察和红外制导由于其分辨率高和抗干扰能力强而倍受各国重视，工作在红外波段的侦察和制导装备迅速发展[1]。烟幕作为对抗精确制导武器和观瞄器材的无源干扰手段在国内外已有了很大发展[2]。按照遮蔽机制，烟幕可以分为辐射遮蔽型和衰减遮蔽型，目前的研究主要集中在衰减遮蔽型烟幕上[3]。这种烟幕主要靠烟幕对红外的吸收和散射作用来实现遮蔽。烟幕的仿真对于战术使用有较强的参考价值，文献[3-4]分别用无风的高斯模型和拉赫特曼扩散理论计算了三维空间的浓度场，并以此为基础利用Lambert-Beer定律计算了空间透光率。高斯模型中也可以包含风速的影响，推导过程中用一点的风速代表整个扩散空间中的风速，即认为三维空间中的风速分布是均匀的，但由于大气边界层中下垫面的作用，风速在垂直方向上存在梯度；拉赫特曼扩散理论中考虑了风速梯度的影响，但适合于模拟瞬时体源的扩散过程，不适用于连续源的模拟。本文将首先运用计算流体力学方法对一平坦开阔地域的风场进行数值模拟，之后在计算得到的风场的基础上运用离散相模型模拟某型红外烟幕在该区域的扩散，利用Lambert-Beer定律可以计算通过扩散实现的三维空间分布的质量浓度在跨风方向上的透光率，进而确定烟幕遮蔽的有效区域。利用以上方法，通过模拟不同风速条件下的风场，从而研究风速对于红外烟幕干扰性能的影响规律。

1 风场模拟

1.1 几何模型

风场数值模拟的几何模型如图1所示，计算域为1000m×400m的长方形区域，模拟的风向为西风。由于气溶胶扩散在空间中是一个三维过程，并且扩散过程一般都发生在大气边界层（一般指距离地面200m以内的范围[5]）中。因此，本模型中考虑垂直方向的计算高度为50m。于是，三维的计算区域为1000m×400m×40m，如图2所示。

图1 计算区域示意图

图2 三维几何模型及边界条件

1.2 网格划分

垂直方向上，下边界初始网格设置为0.5m，增长比率1.2，总网格数为30；水平方向上，网格均匀分布，网格尺寸4m。本文使用前处理软件ANSYS ICEM CFD采用计算精度更高的六面体结构化网格划分，计算域内共划分75万网格，网格及坐标设置如图3所示。

图3 网格划分示意图

1.3 边界条件

本文中考虑模拟以下情况：参考高度取为ref＝2m，参考风速为ref，具体设置分别为：1.2m/s，2.0m/s，3.0m/s，4.0m/s，5.0m/s，6.0m/s，7.0m/s。根据文献[6]，入口的风速廓线可以表示为：

式中：＝0.42为卡曼常数；0＝0.01m为平坦地面的一种地面粗糙长度；*为摩擦速度。对于本文中考虑的近地面层，动量垂直通量随高度的变化很小，可以认为通量为常数[7]，即：

式中：表示湍流切应力，根据文献[6]，可以如下估算摩擦速度：

将各参数带入上式中，可以得到*，将此式带入式(1)即可确定速度廓线。常温常压条件下，空气密度为＝1.225kg/m3，由式(2)可以估算近地面层湍流切应力。

对于近地面层中的流动模拟，应该能够满足流动方向上的均匀性，即保证入口的风速廓线式(1)能够在流动过程得到保持。对于使用标准-模型的RANS模拟，已经有学者提出了多种方法来保证水平均匀的速度廓线。最为常用的方法是基于Richard和Hoxey提出的边界条件的方法[6]，他们建议速度、湍动能、湍流耗散率都使用对数廓线表示：

1）入口边界条件：采用速度入口（velocity-inlet）边界，速度、湍动能、湍动能耗散率廓线采用式(1)，式(4)，式(5)的定义；

2）出口边界条件：采用自由流（outflow）边界，这种边界假定在这个边界上没有流向的梯度[5]；

3）下边界边界条件：采用切应力边界条件，切应力的形式如式(2)所示，文献[5]指出这种方法能够获得非常小的入-出口误差；

4）上边界边界条件：采用速度边界条件，速度、湍动能、湍动能耗散率的取值按照式(1)，式(4)，式(5)在上边界高度处的函数值来确定，从而保持物理量的连续性，相比于常见于其他文献中用于上边界的对称边界和滑移边界，这种边界能够最少的引入流向上的梯度[5]，从而能够更好的保证流向上的均匀性；

5）侧边界边界条件：采用速度边界条件，速度、湍动能、湍动能耗散率廓线采用与入口边界相同的形式，方向沿流动方向。

1.4 流场求解

本文使用Ansys Fluent 12.0对控制方程进行求解。

1）控制方程离散

Fluent对控制方程采用有限体积法进行离散。动量方程、能量方程、湍动能方程和湍流耗散率方程使用二阶迎风格式进行离散；压力使用body-force-weighted方法进行离散。

2）压力速度耦合方式

本文中选择SIMPLEC算法对压力速度进行耦合。

3）残差设定

为了保证计算结果的收敛性，将能量方程的收敛准则设定为10－6（标准化残差），其他方程的收敛准则设定为10－3（标准化残差）。

2 扩散相模拟

红外烟幕的施放源的尺寸相比整个计算域的尺寸可以忽略不计，因此研究中考虑使用离散相模型中的点源来模拟施放源，点源的属性如下：释放点的水平位置如图1所示，施放点的高度高于地面2m，空间坐标为(100, 200, 2)；施放方向为沿着风速方向；施放时间为0s到90s；粒子粒径为10mm；锥形点源的半角设定为15°；源强为0.15kg/s。

扩散模拟的总时间为90s，时间步长取为1s，共90个时间步。

3 透光率计算

当红外辐射通过烟幕气溶胶时，被烟幕气溶胶所散射和吸收而消弱，其规律符合Lambert-Beer定律，即：

式中：为通过烟幕后的辐射强度，W/cm2；0为通过烟幕前的辐射强度，W/cm2；为烟幕浓度，g/m3；为红外辐射通过浓度的光程，m；e为消光系数，m2/g，它与发烟剂的性质、烟幕粒子的大小、辐射波等有关，经烟箱测定，本文中使用的红外烟幕对于中红外和远红外的消光系数分别为1.4m2/g和1.3m2/g，本文中对中红外进行模拟。

通过一段大气路径的透光率定义为前后辐射通量密度之比[7]，即：

对于烟幕气溶胶非均匀分布的情况，透光率可以表示为：

计算流体力学计算得到的浓度场不是显式表示的函数，而是离散的空间分布，积分可采用数值积分的方法进行：

本文对跨风方向的透光率进行计算，于是积分方向为沿坐标系正轴方向，积分范围为[100,300]，积分步长取为D＝0.5m。

4 结果统计与分析

在垂直于轴方向的平面上，选取方向[50, 1000]×方向[0, 20]取间距为1m的共951×21个点，利用FLUENT中编写journal程序的功能对∈[100, 300]内每0.5m一个步长的数据点的浓度进行统计并输出，之后按照式(9)进行线积分，得到各离散点处的透光率。运用Surfer软件绘制透光率为0.15的等值线区域，并测量有效遮蔽区域（透光率小于0.15）的面积和长、宽尺寸，各种风速条件下的有效遮蔽区域如图4～图10所示，有效遮蔽区域的长度、宽度、面积与风速的关系如图11～图13所示。

如图4～图10所示，在较短的施放时间（30s）后，红外烟幕的遮蔽区域在空间中连续、完整，并且烟幕的有效长度能够随着风速的增加而逐渐增长；在稍长的施放时间（60s, 90s）后，适中的风速（1.2m/s～4m/s）条件下有效长度仍能够较稳定增长，但较大风速（5m/s～7m/s）条件下，在烟幕施放的远端达到阈值透光率的等值线已经支离破碎，难以达到遮蔽的效果，有效长度明显下降。风场引起的输运和扩散是烟幕形成有效遮蔽区域的主要动力来源，风速的加强一方面使烟幕气溶胶在相同的时间内运动到更远的区域，但同时也使其空间浓度分布更为分散，而湍流的存在会加强这种分散作用，因此在风速增大的过程中会出现有效遮蔽区域长度先增后降的规律。

烟幕的有效遮蔽区域高度在各个时间段内都表现出随风速增加先递增再递减的规律，高度的峰值出现在风速在2m/s～3m/s的条件，这种现象产生的主要原因是扩散作用：风速较低时垂直方向上的速度脉动量较小，烟幕聚集在相对较低的区域，导致有效遮蔽高度较低，而随着风速的增加，垂直方向上的脉动速度也有所增加，这导致了一方面烟幕由于更大的风速快速地向下风向运动，另一方面垂直向上的输送也有所增加，使有效遮蔽高度增加，但过大的风速使烟幕较为分散难以达到有效线积分浓度，于是有效遮蔽高度下降。

图4 风速为1.2m/s时3个时刻烟幕遮蔽的有效区域

图5 风速为2.0m/s时3个时刻烟幕遮蔽的有效区域

Fig.5 Effective area of smoke shielding at 3 moments (wind velocity＝2.0m/s)

图6 风速为3.0m/s时3个时刻烟幕遮蔽的有效区域

图7 风速为4.0m/s时3个时刻烟幕遮蔽的有效区域

Fig.7 Effective area of smoke shielding at 3 moments (wind velocity＝4.0m/s)

图8 风速为5.0m/s时3个时刻烟幕遮蔽的有效区域

图9 风速为6.0m/s时3个时刻烟幕遮蔽的有效区域

图10 风速为7.0m/s时3个时刻烟幕遮蔽的有效区域

图11 有效遮蔽区域长度与风速关系

and wind velocity

图12 有效遮蔽区域高度与风速关系

图13 有效遮蔽区域面积与风速关系

Fig.13 Relationship between acreage of effective shielding area and wind velocity

风速对有效遮蔽区域长度和高度的影响综合体现在对于面积的影响上：风速对于面积的影响同样表现出先递增再递减的规律，但由于长度和高度峰值对应的风速不同，有效面积的峰值出现在风速为3m/s～4m/s的条件下。

综上所述，本文中研究的发烟剂对于中红外波段，在3m/s～4m/s的风速条件下能够形成最为稳定、遮蔽效果最为理想的红外烟幕。

5 结论

本文提出了一种将计算流体力学方法、离散相模型、Lambert-Beer定律相结合的红外烟幕干扰性能的数值模拟方法；运用以上方法，对多种风速条件下红外烟幕扩散进行了数值模拟，得到了风速对于该种烟幕对中红外透光率的影响规律。该种方法为烟幕干扰性能的数值模拟提供了一种新的思路，对烟幕技术的实际使用具有指导意义。主要结论如下：

1）烟幕的有效遮蔽长度在适中风速（2m/s～4m/s）条件下能够较稳定增长，较大风速（5m/s～7m/s）条件下，有效长度明显下降；

2）烟幕的有效遮蔽高度随风速增加先递增、再递减，高度峰值对应风速为2m/s～3m/s；

3）烟幕的有效遮蔽面积随风速增加先递增、再递减，面积峰值对应风速为3m/s～4m/s；

4）综合考虑烟幕有效遮蔽区域的长度、高度、面积，本文中研究的发烟剂对于中红外波段在3m/s～4m/s的风速条件下使用能够形成最为稳定、最为理想的遮蔽效果。

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CFD-based Study on Countermeasure Performance of Anti-infrared Smoke Screen

XU Lu-cheng，XIAO Kai-tao

(,102205,)

In this paper, computational fluid dynamics method was applied for the numerical simulation of a flat and open wind field. The dispersion of anti-infrared smoke screen in this area was evaluated by discrete phase model, and the three-dimensional distribution of the concentration of anti-infrared smoke screen was obtained. The efficient shielding region of anti-infrared smoke screen across the wind direction was calculated by using Lambert-Beer law. The relationship between wind velocity and shielding region of anti-infrared smoke screen was also studied in this paper.

anti-infrared smoke screen，computational fluid dynamics，discrete phase model，Lambert-Beer law

O434.3

A

1001-8891(2015)04-0337-05

2014-12-22；

2015-03-13.

徐路程（1990-），男，吉林通化人，硕士研究生，主要从事大气扩散及烟幕干扰特性研究。

总装备部“十二五”预先研究课题项目。