0 引言
坦克行驶在作战环境时会引起大量的烟雾和扬尘,当产生扬尘浓度过大时,会导致激光在传播路径上遭到衰减,造成“虚警”和早炸[1-2],为了研究激光引信在扬尘环境中的作用机理与抗扬尘干扰方法,有必要对典型战场环境中的扬尘浓度分布特性进行研究。
近年来,随着计算机技术的发展,流体湍流模型逐渐完善,计算机数值软件模拟扬尘扩散规律成为主要研究手段,王明等[3]采用三维数值模拟进行了硬质路面汽车扬尘的研究,张瑶[4]通过风洞实验确定了湍流模型,研究结果显示 RNG k-ε模型比标准k-ε模型更适用于模拟汽车扬尘。周新华[5]、Cohen等[6]、Zhang等[7]、田冬梅等[8]基于计算流体力学等方法,结合气固两相流原理,研究车辆在自然环境中以不同速度行驶对扬尘浓度的影响。陈慧敏等[9-11]基于流体动力学理论建立了扬尘仿真模型,模拟坦克扬尘的浓度分布状态,分析了车速、质量流率、前向风速下的扬尘浓度变化趋势以及侧向风对扬尘扩散的影响,未研究坦克行驶时具有加速、不同颗粒粒径及不同地面粗糙度对扬尘浓度分布的影响。
通过数值模拟方法,建立几何模型,采用离散项模型,对坦克行驶过程中扬尘分布特征进行仿真。在此基础上,分析具有不同加速度的车速、颗粒粒径和地面粗糙度对扬尘浓度的影响。
1 数学模型
1.1 气相数值模型
假设流体为不可压缩的牛顿流体,坦克在行驶过程中的流场控制方程如下[12-13]:
气相连续方程:
(1)
式(1)中: ρ为空气密度(kg/m3);xi为湍流模型的张量表示形式,i=1,2,3表示x轴、y轴、z 轴3个不同方向;ui( i=1,2,3)为速度矢量u在x、y、z 3个坐标轴的分量。
气相动量方程:
(2)
式(2)中:xj为湍流模型的张量表示形式, j=1,2,3,表示3个不同方向;uj( j=1,2,3)为速度矢量u在3个坐标轴的分量; μ为层流黏度系数; μt为湍流黏度系数。
1.2 湍流模型
RNG k-ε模型相比于其他模型可以更好地模拟高应变率及流线弯曲程度较大的流动,坦克行驶产生的扬尘可看作流体运动,其湍动能和湍流耗散方程描述如下[14-15]:
(3)
(4)
其中: k为湍动能; ε为湍流耗散率; ρ为气相密度;ui 为气相速度; μeff为湍流黏度;Gk为层流速度梯度产生的湍流动能;其中Cμ=0.084 5,C1ε=1.42,C2ε=1.68,αε=αk=1.39,η0=4.377,β=0.012。
1.3 离散相模型
Discrete Phase Model(DPM)即为离散相及连续介质仿真是一种基于拉格朗日法的跟踪颗粒算法,不考虑颗粒与颗粒之间发生的相互作用,对颗粒作用力微分方程进行积分求解颗粒的运动轨道[16]。颗粒的作用力平衡方程和轨迹方程描述如下:
(5)
(6)
式(6)中:u为流体相速度;up为颗粒速度; FD(u-up)为单位质量曳力;gx(ρp-ρ)/ρp为颗粒的单位质量重力与浮力之差; Fx为单位质量的其他作用力。
2 物理模型建立及参数设置
2.1 三维模型建立
有限元模型是进行有限元分析的基础,利用SolidWorks软件(1∶1)建立了某坦克的三维实体模型[17]如图1所示。导入到ANSYS workbench软件建立其有限元模型,添加相应的数值模拟计算域,计算域尺寸为60 m×30 m×8 m。
图1 坦克及计算域三维模型示意图
Fig.1 Schematic diagram of tank and computational domain 3D model
2.2 网格划分
基于Fluent Meshing网格生成工具,采用多面体网格方法建立网格,网格质量的好坏对仿真精度具有很大影响,因此在网格划分完毕后需要评价网格的质量,采用内密外疏的方法,在保证网格质量的同时降低网格数量从而提高仿真计算的速度和精度[18]。最终完成后的网格数量为1 597 352个,最大偏度为0.7,满足质量要求,网格划分结果如图2所示。
图2 体网格划分
Fig.2 Volume grid division
2.3 边界条件
采用离散项模型,结合SIMPLE算法对流场进行计算求解,喷射位置设置在地面与坦克履带,所需要的参数设置见表1。
表1 边界条件设定
Table 1 Boundary condition setting
边界条件参数设定边界条件参数设定入口边界Velocity inlet出口边界Pressure outlet湍流模型k-epsilon离散模型Onk-epsilon模型RNG粒径分布Rosin-Rammler离散格式Second order upwind湍流扩散Discrete random walk喷射源Surface入射时间/s5
3 仿真结果与分析
3.1 不同颗粒粒径对扬尘浓度分布的影响
首先考虑扬尘颗粒粒径对坦克的影响,以10 m/s的速度匀速直线运动时产生的扬尘浓度分布进行仿真,且本文中的扬尘浓度特指质量浓度。坦克行驶时,不同颗粒粒径对扬尘浓度有一定的影响,对典型粉尘粒径下扬尘浓度分布进行数值计算,选择坦克对称中心面z=0 m和地面y=-1 m两个不同截面,时刻为t=5 s时,模拟结果见图3和图4。
从图3(a)可以看出,随着颗粒粒径的增加,坦克后方的扬尘浓度分布范围逐渐减少,粒径越小,在风力作用影响越大,所以扬尘颗粒会借由风力作用向后扩散,但是扬尘浓度逐渐增加,这是因为相对较大的颗粒由于惯性作用不容易随气流运动而沉降,具有较大的质量和惯性,较大的颗粒在坦克行驶过程中受到的作用力更大,更容易被卷起形成扬尘。因此,当颗粒直径增大时,坦克行驶产生的扬尘也会相应增加。从图3(b)看出,在t=5 s较小的颗粒此时形成的速度更快,颗粒越大形成速度越慢,扬尘颗粒主要分布在坦克两侧和后方,总体的分布趋势一致,小颗粒形成的扬尘带扩散速度也更快。
图3 不同颗粒粒径下扬尘浓度分布云图
Fig.3 Dust concentration distribution under different particle sizes
图4 不同颗粒粒径和扬尘浓度分布关系
Fig.4 Relationship between different particle sizes and dust concentration distribution
从图4可知,发现不同粒径下的扬尘分布范围一致,分布规律大体相同,扬尘浓度会随颗粒粒径增大而增大,小颗粒扬尘达到峰值速度更快,但是浓度下降的速度也更快,大颗粒扬尘浓度达到顶峰速度更慢,但是存留在空中的时间更长,大颗粒的受风力作用更小移动速度慢于小颗粒。此时,坦克后方的浓度也随着距离坦克尾部的位置增大而减少。
通过以上的分析可以说明扬尘颗粒粒径对扬尘分布范围具有一定的影响,扬尘粒子的浓度值也会因为粒径的变化而具有不同的影响,总体趋势是颗粒直径越大,产生的扬尘也会越多,小颗粒形成的扬尘浓度较低但是其受风力作用大,移动速度更快,相对较大的颗粒形成扬尘浓度较高,受风力影响较小。
3.2 不同地面粗糙度对扬尘浓度分布的影响
在真实的战场中,在车辆行驶的过程中会在不同路面行驶,不同地面粗糙度会导致车辆尾部的旋涡不同。由此可见,很有必要对典型地面下的坦克行驶过程进行数值模拟仿真,将具有不同粗糙度的地面以摩擦因数μ的形式表示。本文中对5种地面摩擦因数μ=0.1、 μ=0.3、 μ=0.5、 μ=0.6和μ=0.8的情况下的扬尘分布进行仿真。
图5 不同地面摩擦因数下扬尘浓度分布云图
Fig.5 Dust concentration distribution under different ground friction coefficient
从图5(a)可以得到,随着地面粗糙度的增加,坦克后方的扬尘浓度分布范围基本一致,由此可以得到地面粗糙度的改变对扬尘分布的影响较小。从图5(b)可以看出,随着地面粗糙度的增加,坦克后方的扬尘浓度分布范围逐渐减少,这是因为当地面较为平整时,坦克行驶时与地面的摩擦力相对较小,搅动地面表层物质的能力较弱,而当地面较为粗糙时,则摩擦力增大,坦克与地面之间的接触变得不光滑,搅动地面表层物质的能力增强。地面粗糙度低,从而搅动地面表层物质的能力较弱,行驶产生的扬尘颗粒粒径可能较小,而地面粗糙度较大时,搅动地面表层物质的能力增强,搅动地面表层物质的能力越大,卷起的扬尘颗粒粒径可能会越大。
图6 不同地面摩擦因数和扬尘浓度分布关系
Fig.6 Relationship between different ground friction coefficient and dust concentration distribution
从图6(a)可知,不同摩擦因数得到的质量浓度相差不大,摩擦因数取0.5时质量浓度最大,根据图5(a)中分析得到不同地面粗糙度下坦克行驶扬尘浓度分布基本一致,在相同条件下,由于地面粗糙度对扬尘分布的影响较少,坦克行驶产生的扬尘主要向坦克履带两侧及后方进行扩散,分布至中心对称轴截面处的扬尘浓度影响较小,该截面处的扬尘浓度不会出现较大的差异,由于湍流运动的随机性,出现摩擦因数取0.5时质量浓度最大,但总体的分布趋势相同。从图6(b)可知,在坦克车尾后方,扬尘浓度在x=3～7 m处较高,且地面的摩擦因数越高,则产生的扬尘浓度越高,在该时刻内,主要集中在坦克尾部距离坦克尾部越远则扬尘浓度越低,整体上扬尘质量浓度数值随着摩擦因数的增加而增加。
坦克行驶产生的扬尘和地面粗糙度具有一定的关系,地面的粗糙度越大,摩擦力也就越大,当坦克行驶时,履带与地面的接触会搅动地面的表层物质,并产生气流或风力,地面越粗糙,则行驶带动的颗粒越多,卷起的扬尘颗粒粒径可能会越大,从而产生的扬尘浓度也会随之增大。
3.3 不同加速度对扬尘浓度分布的影响
在道路上行驶的坦克并非一直处于匀速运动状态,更多的情况下,坦克车辆经常处于减速和加速状态,这些情况都可能导致其在道路上扬起的扬尘发生变化,对典型加速度下的坦克行驶过程中的扬尘浓度分布进行数值计算,如图7和图8所示。
图7 不同加速度下扬尘浓度分布云图
Fig.7 Dust concentration distribution under different acceleration
从图7(a)可以得到,随着加速度的增加,扬尘分布范围呈逐渐扩大的趋势,扬尘浓度分布规律基本一致。此时扬尘分布较为集中,形成一条存在于坦克后方的扬尘带,在气流的作用下向后方扩散,加速度增大,不仅在分布上有所增加,浓度也随之增加。从图7(b)可以看出,随着加速度的增加,坦克后方的扬尘浓度分布范围有个明显的向后扩散趋势,这是因为加速度越大,坦克行驶产生的气流更剧烈,带起的地面颗粒物的数量更多,加速度越大,颗粒物被扬起的能量越大,同时坦克行驶加速度较大时,坦克在地面上的冲击力会增大,也会导致地面颗粒物更容易被搅动从而悬浮在空中形成扬尘,所以,加速度越大,产生的扬尘浓度越大。此外加速度的增大会产生更强的气流扰动,当坦克加速时,由于速度变化,会产生强烈的气流涡旋和湍流现象,这些气流扰动会将悬浮的扬尘颗粒更迅速地向后方推动和扩散。加速度越大,产生的气流扰动越强,扬尘颗粒向后方扩散的速度和范围也会增加。
图8 不同加速度和扬尘浓度分布关系
Fig.8 Relationship between different acceleration and dust concentration distribution
从图8(a)可知,在相同时间内,加速度越大,产生的扬尘浓度越高,扬尘增加和减少的趋势相同,在不同加速度下的扬尘分布范围一致,分布规律大体相同,从图8(b)可知,距离坦克尾部3 m处,加速度越大,产生的扬尘浓度越大,且随着距离车尾的位置增加,依旧保持浓度随加速度增加而增加的趋势,直到车尾处8 m左右位置,此时浓度几乎持平,这是因为加速度越大,产生气流越强烈,会引起更大的颗粒飘向空中,但是颗粒越大移动的速度越慢,故在车尾附近处,加速度大的扬尘浓度相对较大,随着位置后移,小颗粒在风力作用下向后扩散的距离更远,故会出现后续浓度持平的现象。
加速度越大,扬尘带逐渐后移,扬尘分布范围增加,扬尘浓度也会随之增加;越靠近坦克尾部,具有较大加速度的扬尘浓度越大,且随着距离增加逐渐降低,加速度越大,降低的程度越明显。
4 结论
通过使用Fluent软件进行流体仿真模拟,研究了某坦克行驶时的扬尘过程,探究了颗粒粒径、地面粗糙度和加速度对扬尘质量浓度分布的影响规律。得出主要结论如下:
1) 坦克行驶过程中,地面颗粒粒径对扬尘浓度具有一定影响,较大的颗粒粒径会增加扬尘浓度,大颗粒粒径的颗粒物质相对较重,相对较少受到风的推动,小颗粒粒径的颗粒物质相对较轻,这使得小颗粒粒径的颗粒物质更容易被空气流动带走,从而产生的扬尘浓度相对较低且产生扬尘的速度与移动速度更快。
2) 坦克行驶产生的扬尘浓度和地面粗糙度具有一定的关系。地面的粗糙度越大,搅动地面表层物质的能力增强,摩擦力也就越大,搅动地面表层物质的能力越大,则行驶带动的颗粒越多,卷起的扬尘颗粒粒径可能会越大。因此,当地面粗糙度变大时,坦克行驶产生的扬尘浓度也会相应增加。
3) 坦克行驶加速度对扬尘浓度分布具有重要影响,加速度越大,扬尘带逐渐后移,扬尘分布范围增加,扬尘浓度也会随之增加;越靠近坦克尾部,具有较大加速度的扬尘浓度越大,且随着距离增加扬尘浓度逐渐降低,加速度越大,降低的程度越明显。
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