坦克热烟气红外辐射特征数值分析

赵 耀， 骆清国， 桂 勇， 鲁 俊

(陆军装甲兵学院车辆工程系， 北京 100072)

坦克在行驶过程中会产生大量的热烟气，这些热烟气温度较高且组分稳定，构成了坦克红外辐射特征的主要来源。对于热烟气的红外辐射特征，国内外学者进行了相关研究：易军凯等[1]结合近代分子辐射和传输理论得到了坦克尾喷烟的辐射亮度；郑坤鹏等[2]通过建立坦克排烟热流场计算模型，使用谱带积分法得到了排烟的辐射亮度；祝念等[3]利用经验公式分析了尾焰流场分布，在此基础上计算了辐射气体在浓度变化情况下对红外辐射特征的影响；曹毅刚[4]通过对计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件后处理的流场数据进行再处理，提出了一种计算烟气红外辐射强度的算法；许爱华等[5]利用试验与仿真相结合的方法得到了无人机烟气的红外辐射特征；美军陆军坦克装甲车辆司令部通过对装甲车辆排出的废气流动性的研究，研制出了能够实时预测排烟红外图像的软件，但由于保密的原因，详细的资料无法得到。

上述流场计算研究方法大都是利用已有的经典理论，特别是在获取热烟气的主要辐射气体浓度以及计算热烟气的光谱透过率时，大多采用的是经验公式的方法，计算结果精度不高且应用价值不大。为此，笔者利用GT-SUITE建立了某型坦克柴油机仿真模型，通过软件的后处理模块得到该坦克某典型工况下热烟气的摩尔分数；在此基础上提出了热烟气流场和温度场数值计算模型，得到了各主要辐射气体的温度和压强；然后提出了基于Malkmus模型的非均匀气体光谱透过率计算方法，得到了热烟气光谱透过率；建立了基于红外探测方向离散的热烟气红外辐射计算模型，并通过与试验数据对比，验证了模型的可靠性；最后模拟计算了坦克热烟气的红外辐射特征，并对造成在红外探测方向上红外辐射特征衰减的影响因素进行了分析，研究成果为热烟气红外抑制措施的提出奠定了理论基础。

1 热烟气流场和温度场的计算

1.1 主要辐射气体摩尔分数的计算

GT-SUITE是柴油机工作过程仿真软件，笔者利用该软件建立了柴油机的仿真计算模型，如图1所示。通过调取GT-SUITE中后处理模块GT-Post的自带计算模板Species Sampler，保持模板中的参数不变，并通过直接连接柴油机仿真模型的排烟口模拟计算了从柴油机排出的各主要辐射气体的摩尔分数，如图2所示。可以看出：柴油机刚开始工作阶段，3种气体的摩尔分数分别达到了峰值；当柴油机工作稳定后，CO2和H2O的摩尔分数出现了下降并保持在恒定水平，CO则迅速衰减到0。因此，在对坦克热烟气红外辐射特征进行数值分析时其辐射气体选为CO2和H2O。

1.2 热烟气流场和温度场数值计算模型

计算坦克热烟气红外辐射特征分布需要知道烟气的组分压强和温度分布数据，所以首先需计算热烟气流场和温度场的分布，利用CFD软件计算热烟气的流场和温度场分布，虽然能获得比较准确的结果，但计算量大，不能满足工程的应用。为此，笔者基于坦克热烟气为理想湍流射流的假设，提出了一种能够快速计算热烟气流场和温度场分布的数值计算模型。

该数值计算模型的基本假设为：将热烟气排出排烟管后的区域划分为起始区、混合区和基本区3个部分，如图3所示。可以看出：这3部分的形状呈发散状，外围边界主要由排烟管出口界面、混合区的外边界和基本区的外边界确定。这里不设置出口边界，以使热烟气与空气充分混合。各个区域的主要参数如下：起始区长度xe,混合区的外边界与x轴的夹角α，起始区内x轴上任意位置xd0，在xd0处起始区的半径rd0，混合区的半径yd0，混合区与基本区接触半个区域的长度ye，基本区温度待求位置与x轴的垂线与基本区外边界相交处的径向距离ye0。在这里，假设起始区烟气各辐射气体的压强以及温度均为恒定值。混合区是热烟气与环境空气进行了初步混合，基本区则是热烟气和环境空气进行了充分混合。

起始区的数值计算模型为

T=Te

，

(1)

式中：T为待求位置的温度；Te为排烟管出口的初始温度。

混合区的数值计算模型为

(2)

式中：Ts为环境空气温度；y为待求温度位置与x轴的垂直距离。

基本区的数值计算模型为

(3)

式中：

(4)

为基本区内待求温度位置与x轴垂直相交处的温度，其中

(5)

为基本区内的流场压力。

热烟气各主要辐射气体的压强

pi=p·xi，

(6)

式中：xi为第i种气体的摩尔分数，通过GT-SUITE建立的仿真模型求得。

在计算热烟气流场和温度场时，假设坦克行驶速度为40 km/h，大气温度为293 K，柴油机热烟气口截面处的温度为819 K，采用提出的数值计算模型进行求解，可得到坦克热烟气温度云图，如图4所示。可以看出：热烟气从排烟管排出后，起始区的温度较高，经过与环境空气混合后，在混合区和基本区温度逐渐出现了衰减，这与实际情况基本符合，验证了数值计算模型的正确性。

2 热烟气光谱透过率数值计算模型

2.1 基于Malkmus模型的均匀气体光谱透过率数值计算模型

高温气体的数值计算模型一般有爱尔沙色模型、等线强度分布模型、Goody模型和Malkmus模型。其中，Malkmus模型原本是在气象科学研究中提出的一种计算光谱透过率的数值计算模型，后来逐渐应用到装甲车辆以及高空飞行器所排出热气体的高温辐射计算领域。与其他几种数值计算模型相比，在计算高温气体光谱透过率时，如果波数间隔均取25 cm-1，Malkmus模型与通过大气试验得到的结果相比，最大的误差仅为10%。如果再基于HITRAN数据库采用最小二乘法进行外推，在压力<0.1标准大气压且波数间隔为10 cm-1的条件下，与大气试验结果相比，Malkmus模型的计算误差仅为1%。因此，对于一般的均匀气体，Malkmus模型是精度较高的谱带模型[6]。同时，Malkmus模型与红外辐射计算模型C-G近似法相结合计算速度较快，且模拟得到的红外辐射亮度值精度相对较高[4]。综合以上2种模拟计算上的优势，在计算热烟气光谱透过率时选择Malkmus模型。

在Malkmus模型中，均匀气体的光谱透过率

(7)

0.058(1-xCO2-xH2O+0.1xH2O)]，

(8)

xCO2-xH2O)+0.106xCO2+0.036xO2]}，

(9)

式中：ps=101.325 kPa；Ts=293 K；xCO2、xH2O、xO2分别为CO2、H2O、O2的摩尔分数。

2.2 基于Malkmus模型的非均匀气体光谱透过率数值计算模型

利用Malkmus模型可以直接计算均匀气体的光谱透过率，这种方法主要适用于高空飞行器的尾焰透过率的计算。但本文所研究的坦克热烟气中辐射气体成分较多，是一种多分子非均匀高温气体[6-8]，因此必须对2.1节中的模型进行一定的修正。修正后的基于Malkmus模型非均匀气体的光谱透过率

(10)

各参数的计算公式分别为

(11)

(12)

(13)

3 热烟气红外辐射计算及分析

3.1 基于红外探测方向离散的热烟气红外辐射计算模型

热烟气的红外辐射属于气体辐射，具有强烈的波段选择性，其中：CO2的辐射能量集中在2.7、4.3 μm波带；H2O的辐射能量主要集中在1.9、2.7、6.3 μm波带。通过分析热烟气的温度场分布可知，热烟气的高温区主要集中在初始区和基本区的x轴附近，因此按照斯蒂芬-坡尔兹曼定律，这些区域的红外辐射特征最为明显。但红外探测装置需要穿过外围的相对低温区才能探测到这些高温部位的红外辐射特征。因此，当计算沿任意方向坦克热烟气的红外辐射特征时，需要将该方向上所有气体的红外辐射亮度进行叠加。笔者基于红外探测追踪的思想，利用离散计算的原理，提出了基于红外探测方向离散的热烟气红外辐射计算模型，如图5所示，其中θ为红外探测角度。该模型根据流场和温度场计算的结果，按照精度的要求将沿红外探测方向上辐射气体温度和压力值接近的区域视为一层，则整个计算区域可划分为若干层；然后利用热烟气光谱透过率数值计算模型逐层计算光谱透过率，利用C-G谱带传输模型调用每层的压强和温度值，计算沿红外探测方向的每层热烟气的光谱辐射亮度；最后将各层进行叠加，就可以得到辐射亮度值[9-10]。

利用上述模型参照文献[9]中给出的试验参数，计算得到了热烟气在2～5 μm波段的相对红外辐射强度，其变化曲线如图6所示。可以看出：相对红外辐射强度在波长为2.7、4.3 μm附近出现了峰值，这与文献[9]中相对红外辐射强度分布的试验结果相符，说明计算结果符合实际情况且精度较高，验证了计算模型的准确性。

3.2 热烟气红外辐射特征计算与分析

当红外探测角度为0°～90°时，利用基于红外探测方向离散的热烟气红外辐射计算模型，计算坦克热烟气在3～5 μm波段的红外辐射强度,结果如图7所示。可以看出：坦克热烟气红外辐射强度在垂直于热烟气x轴方向上的数值最大，这是因为在这个角度上，热烟气相对于红外探测方向的投影面积最大，根据兰贝特定律，红外辐射强度值也最大；随着红外探测角度的减小，投影面积的减小必然会导致红外辐射强度的减小，当红外探测角度为10°左右时，红外辐射强度达到最小值；但红外探测角度继续减小时，红外辐射强度会稍微增加，这是因为温度最高的起始区的气体辐射在向外传输过程中，经过混合区和基本区时，会被该区域的低温气体吸收和反射，在红外探测角度小于10°时，混合区和基本区对气体辐射的衰减作用出现了下降，特别是在0°时，根据图3所示，混合区基本上对起始区的气体辐射不产生影响，因此红外辐射强度出现略微增大，并在红外探测角度为0°时达到峰值[10-11]。

4 结论

笔者对某型坦克的热烟气红外辐射特征进行了分析和研究，主要结论如下：

1) 对于坦克热烟气中的CO、CO2和H2O这3种主要辐射气体，当柴油机刚开始工作时，气缸内燃烧不充分，这3种气体的摩尔分数会达到峰值且数值较大；当柴油机缸内燃烧稳定后，CO2和H2O的摩尔分数会出现下降并保持在恒定水平，因不充分燃烧而生成的CO则迅速衰减到0。因此，在研究稳定工况下坦克热烟气的红外辐射特征时，主要考虑CO2和H2O这2种辐射气体。

2) 坦克热烟气的相对红外辐射强度在波长为2.7、4.3 μm达到峰值，对热烟气红外抑制措施进行研究时要重点考虑这2个波段。

3) 热烟气在红外探测方向上的投影面积、基本区和混合区对辐射气体的吸收作用对红外辐射强度的数值有较大的影响。本文中提出的相关数值计算模型对坦克红外辐射计算有一定的理论参考价值。