依 研,楊 麗,白明健

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院, 沈陽 110159)

0 引言

坦克行駛在作戰(zhàn)環(huán)境時會引起大量的煙霧和揚塵,當(dāng)產(chǎn)生揚塵濃度過大時,會導(dǎo)致激光在傳播路徑上遭到衰減,造成“虛警”和早炸[1-2],為了研究激光引信在揚塵環(huán)境中的作用機(jī)理與抗揚塵干擾方法,有必要對典型戰(zhàn)場環(huán)境中的揚塵濃度分布特性進(jìn)行研究。

近年來,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,流體湍流模型逐漸完善,計算機(jī)數(shù)值軟件模擬揚塵擴(kuò)散規(guī)律成為主要研究手段,王明等[3]采用三維數(shù)值模擬進(jìn)行了硬質(zhì)路面汽車揚塵的研究,張瑤[4]通過風(fēng)洞實驗確定了湍流模型,研究結(jié)果顯示 RNGk-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更適用于模擬汽車揚塵。周新華[5]、Cohen等[6]、Zhang等[7]、田冬梅等[8]基于計算流體力學(xué)等方法,結(jié)合氣固兩相流原理,研究車輛在自然環(huán)境中以不同速度行駛對揚塵濃度的影響。陳慧敏等[9-11]基于流體動力學(xué)理論建立了揚塵仿真模型,模擬坦克揚塵的濃度分布狀態(tài),分析了車速、質(zhì)量流率、前向風(fēng)速下的揚塵濃度變化趨勢以及側(cè)向風(fēng)對揚塵擴(kuò)散的影響,未研究坦克行駛時具有加速、不同顆粒粒徑及不同地面粗糙度對揚塵濃度分布的影響。

通過數(shù)值模擬方法,建立幾何模型,采用離散項模型,對坦克行駛過程中揚塵分布特征進(jìn)行仿真。在此基礎(chǔ)上,分析具有不同加速度的車速、顆粒粒徑和地面粗糙度對揚塵濃度的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 氣相數(shù)值模型

假設(shè)流體為不可壓縮的牛頓流體,坦克在行駛過程中的流場控制方程如下[12-13]:

氣相連續(xù)方程:

(1)

式(1)中:ρ為空氣密度(kg/m3);xi為湍流模型的張量表示形式,i=1,2,3表示x軸、y軸、z軸3個不同方向;ui(i=1,2,3)為速度矢量u在x、y、z3個坐標(biāo)軸的分量。

氣相動量方程:

(2)

式(2)中:xj為湍流模型的張量表示形式,j=1,2,3,表示3個不同方向;uj(j=1,2,3)為速度矢量u在3個坐標(biāo)軸的分量;μ為層流黏度系數(shù);μt為湍流黏度系數(shù)。

1.2 湍流模型

RNGk-ε模型相比于其他模型可以更好地模擬高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動,坦克行駛產(chǎn)生的揚塵可看作流體運動,其湍動能和湍流耗散方程描述如下[14-15]:

(3)

(4)

其中:k為湍動能;ε為湍流耗散率;ρ為氣相密度;ui為氣相速度;μeff為湍流黏度;Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能;其中Cμ=0.084 5,C1ε=1.42,C2ε=1.68,αε=αk=1.39,η0=4.377,β=0.012。

1.3 離散相模型

Discrete Phase Model(DPM)即為離散相及連續(xù)介質(zhì)仿真是一種基于拉格朗日法的跟蹤顆粒算法,不考慮顆粒與顆粒之間發(fā)生的相互作用,對顆粒作用力微分方程進(jìn)行積分求解顆粒的運動軌道[16]。顆粒的作用力平衡方程和軌跡方程描述如下:

(5)

(6)

式(6)中:u為流體相速度;up為顆粒速度;FD(u-up)為單位質(zhì)量曳力;gx(ρp-ρ)/ρp為顆粒的單位質(zhì)量重力與浮力之差;Fx為單位質(zhì)量的其他作用力。

2 物理模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 三維模型建立

有限元模型是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ),利用SolidWorks軟件(1∶1)建立了某坦克的三維實體模型[17]如圖1所示。導(dǎo)入到ANSYS workbench軟件建立其有限元模型,添加相應(yīng)的數(shù)值模擬計算域,計算域尺寸為60 m×30 m×8 m。

圖1 坦克及計算域三維模型示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

基于Fluent Meshing網(wǎng)格生成工具,采用多面體網(wǎng)格方法建立網(wǎng)格,網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對仿真精度具有很大影響,因此在網(wǎng)格劃分完畢后需要評價網(wǎng)格的質(zhì)量,采用內(nèi)密外疏的方法,在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時降低網(wǎng)格數(shù)量從而提高仿真計算的速度和精度[18]。最終完成后的網(wǎng)格數(shù)量為1 597 352個,最大偏度為0.7,滿足質(zhì)量要求,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 體網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件

采用離散項模型,結(jié)合SIMPLE算法對流場進(jìn)行計算求解,噴射位置設(shè)置在地面與坦克履帶,所需要的參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 邊界條件設(shè)定

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 不同顆粒粒徑對揚塵濃度分布的影響

首先考慮揚塵顆粒粒徑對坦克的影響,以10 m/s的速度勻速直線運動時產(chǎn)生的揚塵濃度分布進(jìn)行仿真,且本文中的揚塵濃度特指質(zhì)量濃度。坦克行駛時,不同顆粒粒徑對揚塵濃度有一定的影響,對典型粉塵粒徑下?lián)P塵濃度分布進(jìn)行數(shù)值計算,選擇坦克對稱中心面z=0 m和地面y=-1 m兩個不同截面,時刻為t=5 s時,模擬結(jié)果見圖3和圖4。

從圖3(a)可以看出,隨著顆粒粒徑的增加,坦克后方的揚塵濃度分布范圍逐漸減少,粒徑越小,在風(fēng)力作用影響越大,所以揚塵顆粒會借由風(fēng)力作用向后擴(kuò)散,但是揚塵濃度逐漸增加,這是因為相對較大的顆粒由于慣性作用不容易隨氣流運動而沉降,具有較大的質(zhì)量和慣性,較大的顆粒在坦克行駛過程中受到的作用力更大,更容易被卷起形成揚塵。因此,當(dāng)顆粒直徑增大時,坦克行駛產(chǎn)生的揚塵也會相應(yīng)增加。從圖3(b)看出,在t=5 s較小的顆粒此時形成的速度更快,顆粒越大形成速度越慢,揚塵顆粒主要分布在坦克兩側(cè)和后方,總體的分布趨勢一致,小顆粒形成的揚塵帶擴(kuò)散速度也更快。

圖3 不同顆粒粒徑下?lián)P塵濃度分布云圖

圖4 不同顆粒粒徑和揚塵濃度分布關(guān)系

從圖4可知,發(fā)現(xiàn)不同粒徑下的揚塵分布范圍一致,分布規(guī)律大體相同,揚塵濃度會隨顆粒粒徑增大而增大,小顆粒揚塵達(dá)到峰值速度更快,但是濃度下降的速度也更快,大顆粒揚塵濃度達(dá)到頂峰速度更慢,但是存留在空中的時間更長,大顆粒的受風(fēng)力作用更小移動速度慢于小顆粒。此時,坦克后方的濃度也隨著距離坦克尾部的位置增大而減少。

通過以上的分析可以說明揚塵顆粒粒徑對揚塵分布范圍具有一定的影響,揚塵粒子的濃度值也會因為粒徑的變化而具有不同的影響,總體趨勢是顆粒直徑越大,產(chǎn)生的揚塵也會越多,小顆粒形成的揚塵濃度較低但是其受風(fēng)力作用大,移動速度更快,相對較大的顆粒形成揚塵濃度較高,受風(fēng)力影響較小。

3.2 不同地面粗糙度對揚塵濃度分布的影響

在真實的戰(zhàn)場中,在車輛行駛的過程中會在不同路面行駛,不同地面粗糙度會導(dǎo)致車輛尾部的旋渦不同。由此可見,很有必要對典型地面下的坦克行駛過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,將具有不同粗糙度的地面以摩擦因數(shù)μ的形式表示。本文中對5種地面摩擦因數(shù)μ=0.1、μ=0.3、μ=0.5、μ=0.6和μ=0.8的情況下的揚塵分布進(jìn)行仿真。

圖5 不同地面摩擦因數(shù)下?lián)P塵濃度分布云圖

從圖5(a)可以得到,隨著地面粗糙度的增加,坦克后方的揚塵濃度分布范圍基本一致,由此可以得到地面粗糙度的改變對揚塵分布的影響較小。從圖5(b)可以看出,隨著地面粗糙度的增加,坦克后方的揚塵濃度分布范圍逐漸減少,這是因為當(dāng)?shù)孛孑^為平整時,坦克行駛時與地面的摩擦力相對較小,攪動地面表層物質(zhì)的能力較弱,而當(dāng)?shù)孛孑^為粗糙時,則摩擦力增大,坦克與地面之間的接觸變得不光滑,攪動地面表層物質(zhì)的能力增強。地面粗糙度低,從而攪動地面表層物質(zhì)的能力較弱,行駛產(chǎn)生的揚塵顆粒粒徑可能較小,而地面粗糙度較大時,攪動地面表層物質(zhì)的能力增強,攪動地面表層物質(zhì)的能力越大,卷起的揚塵顆粒粒徑可能會越大。

從圖6(a)可知,不同摩擦因數(shù)得到的質(zhì)量濃度相差不大,摩擦因數(shù)取0.5時質(zhì)量濃度最大,根據(jù)圖5(a)中分析得到不同地面粗糙度下坦克行駛揚塵濃度分布基本一致,在相同條件下,由于地面粗糙度對揚塵分布的影響較少,坦克行駛產(chǎn)生的揚塵主要向坦克履帶兩側(cè)及后方進(jìn)行擴(kuò)散,分布至中心對稱軸截面處的揚塵濃度影響較小,該截面處的揚塵濃度不會出現(xiàn)較大的差異,由于湍流運動的隨機(jī)性,出現(xiàn)摩擦因數(shù)取0.5時質(zhì)量濃度最大,但總體的分布趨勢相同。從圖6(b)可知,在坦克車尾后方,揚塵濃度在x=3～7 m處較高,且地面的摩擦因數(shù)越高,則產(chǎn)生的揚塵濃度越高,在該時刻內(nèi),主要集中在坦克尾部距離坦克尾部越遠(yuǎn)則揚塵濃度越低,整體上揚塵質(zhì)量濃度數(shù)值隨著摩擦因數(shù)的增加而增加。

坦克行駛產(chǎn)生的揚塵和地面粗糙度具有一定的關(guān)系,地面的粗糙度越大,摩擦力也就越大,當(dāng)坦克行駛時,履帶與地面的接觸會攪動地面的表層物質(zhì),并產(chǎn)生氣流或風(fēng)力,地面越粗糙,則行駛帶動的顆粒越多,卷起的揚塵顆粒粒徑可能會越大,從而產(chǎn)生的揚塵濃度也會隨之增大。

3.3 不同加速度對揚塵濃度分布的影響

在道路上行駛的坦克并非一直處于勻速運動狀態(tài),更多的情況下,坦克車輛經(jīng)常處于減速和加速狀態(tài),這些情況都可能導(dǎo)致其在道路上揚起的揚塵發(fā)生變化,對典型加速度下的坦克行駛過程中的揚塵濃度分布進(jìn)行數(shù)值計算,如圖7和圖8所示。

圖7 不同加速度下?lián)P塵濃度分布云圖

從圖7(a)可以得到,隨著加速度的增加,揚塵分布范圍呈逐漸擴(kuò)大的趨勢,揚塵濃度分布規(guī)律基本一致。此時揚塵分布較為集中,形成一條存在于坦克后方的揚塵帶,在氣流的作用下向后方擴(kuò)散,加速度增大,不僅在分布上有所增加,濃度也隨之增加。從圖7(b)可以看出,隨著加速度的增加,坦克后方的揚塵濃度分布范圍有個明顯的向后擴(kuò)散趨勢,這是因為加速度越大,坦克行駛產(chǎn)生的氣流更劇烈,帶起的地面顆粒物的數(shù)量更多,加速度越大,顆粒物被揚起的能量越大,同時坦克行駛加速度較大時,坦克在地面上的沖擊力會增大,也會導(dǎo)致地面顆粒物更容易被攪動從而懸浮在空中形成揚塵,所以,加速度越大,產(chǎn)生的揚塵濃度越大。此外加速度的增大會產(chǎn)生更強的氣流擾動,當(dāng)坦克加速時,由于速度變化,會產(chǎn)生強烈的氣流渦旋和湍流現(xiàn)象,這些氣流擾動會將懸浮的揚塵顆粒更迅速地向后方推動和擴(kuò)散。加速度越大,產(chǎn)生的氣流擾動越強,揚塵顆粒向后方擴(kuò)散的速度和范圍也會增加。

圖8 不同加速度和揚塵濃度分布關(guān)系

從圖8(a)可知,在相同時間內(nèi),加速度越大,產(chǎn)生的揚塵濃度越高,揚塵增加和減少的趨勢相同,在不同加速度下的揚塵分布范圍一致,分布規(guī)律大體相同,從圖8(b)可知,距離坦克尾部3 m處,加速度越大,產(chǎn)生的揚塵濃度越大,且隨著距離車尾的位置增加,依舊保持濃度隨加速度增加而增加的趨勢,直到車尾處8 m左右位置,此時濃度幾乎持平,這是因為加速度越大,產(chǎn)生氣流越強烈,會引起更大的顆粒飄向空中,但是顆粒越大移動的速度越慢,故在車尾附近處,加速度大的揚塵濃度相對較大,隨著位置后移,小顆粒在風(fēng)力作用下向后擴(kuò)散的距離更遠(yuǎn),故會出現(xiàn)后續(xù)濃度持平的現(xiàn)象。

加速度越大,揚塵帶逐漸后移,揚塵分布范圍增加,揚塵濃度也會隨之增加;越靠近坦克尾部,具有較大加速度的揚塵濃度越大,且隨著距離增加逐漸降低,加速度越大,降低的程度越明顯。

4 結(jié)論

通過使用Fluent軟件進(jìn)行流體仿真模擬,研究了某坦克行駛時的揚塵過程,探究了顆粒粒徑、地面粗糙度和加速度對揚塵質(zhì)量濃度分布的影響規(guī)律。得出主要結(jié)論如下:

1) 坦克行駛過程中,地面顆粒粒徑對揚塵濃度具有一定影響,較大的顆粒粒徑會增加揚塵濃度,大顆粒粒徑的顆粒物質(zhì)相對較重,相對較少受到風(fēng)的推動,小顆粒粒徑的顆粒物質(zhì)相對較輕,這使得小顆粒粒徑的顆粒物質(zhì)更容易被空氣流動帶走,從而產(chǎn)生的揚塵濃度相對較低且產(chǎn)生揚塵的速度與移動速度更快。

2) 坦克行駛產(chǎn)生的揚塵濃度和地面粗糙度具有一定的關(guān)系。地面的粗糙度越大,攪動地面表層物質(zhì)的能力增強,摩擦力也就越大,攪動地面表層物質(zhì)的能力越大,則行駛帶動的顆粒越多,卷起的揚塵顆粒粒徑可能會越大。因此,當(dāng)?shù)孛娲植诙茸兇髸r,坦克行駛產(chǎn)生的揚塵濃度也會相應(yīng)增加。

3) 坦克行駛加速度對揚塵濃度分布具有重要影響,加速度越大,揚塵帶逐漸后移,揚塵分布范圍增加,揚塵濃度也會隨之增加;越靠近坦克尾部,具有較大加速度的揚塵濃度越大,且隨著距離增加揚塵濃度逐漸降低,加速度越大,降低的程度越明顯。