坦克行駛揚(yáng)塵濃度場(chǎng)時(shí)空分布特性研究

依 研,楊 麗,白明健

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110159)

0 引言

坦克行駛在作戰(zhàn)環(huán)境時(shí)會(huì)引起大量的煙霧和揚(yáng)塵,當(dāng)產(chǎn)生揚(yáng)塵濃度過(guò)大時(shí),會(huì)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(yáng)塵環(huán)境中的作用機(jī)理與抗揚(yáng)塵干擾方法,有必要對(duì)典型戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的揚(yáng)塵濃度分布特性進(jìn)行研究。

近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,流體湍流模型逐漸完善,計(jì)算機(jī)數(shù)值軟件模擬揚(yáng)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(yáng)塵的研究,張瑤[4]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(yáng)塵。周新華[5]、Cohen等[6]、Zhang等[7]、田冬梅等[8]基于計(jì)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(duì)揚(yáng)塵濃度的影響。陳慧敏等[9-11]基于流體動(dòng)力學(xué)理論建立了揚(yáng)塵仿真模型,模擬坦克揚(yáng)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(yáng)塵濃度變化趨勢(shì)以及側(cè)向風(fēng)對(duì)揚(yáng)塵擴(kuò)散的影響,未研究坦克行駛時(shí)具有加速、不同顆粒粒徑及不同地面粗糙度對(duì)揚(yáng)塵濃度分布的影響。

通過(guò)數(shù)值模擬方法,建立幾何模型,采用離散項(xiàng)模型,對(duì)坦克行駛過(guò)程中揚(yáng)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(duì)揚(yáng)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(guò)程中的流場(chǎng)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(gè)不同方向;ui(i=1,2,3)為速度矢量u在x、y、z3個(gè)坐標(biāo)軸的分量。

氣相動(dòng)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(gè)不同方向;uj(j=1,2,3)為速度矢量u在3個(gè)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(dòng),坦克行駛產(chǎn)生的揚(yáng)塵可看作流體運(yùn)動(dòng),其湍動(dòng)能和湍流耗散方程描述如下[14-15]:

(3)

(4)

其中:k為湍動(dòng)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(dòng)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(duì)顆粒作用力微分方程進(jìn)行積分求解顆粒的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jì)算域,計(jì)算域尺寸為60 m×30 m×8 m。

圖1 坦克及計(jì)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(duì)仿真精度具有很大影響,因此在網(wǎng)格劃分完畢后需要評(píng)價(jià)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(shí)降低網(wǎng)格數(shù)量從而提高仿真計(jì)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(gè),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(xiàng)模型,結(jié)合SIMPLE算法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)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(jiàn)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(duì)揚(yáng)塵濃度分布的影響

首先考慮揚(yáng)塵顆粒粒徑對(duì)坦克的影響,以10 m/s的速度勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的揚(yáng)塵濃度分布進(jìn)行仿真,且本文中的揚(yáng)塵濃度特指質(zhì)量濃度。坦克行駛時(shí),不同顆粒粒徑對(duì)揚(yáng)塵濃度有一定的影響,對(duì)典型粉塵粒徑下?lián)P塵濃度分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,選擇坦克對(duì)稱中心面z=0 m和地面y=-1 m兩個(gè)不同截面,時(shí)刻為t=5 s時(shí),模擬結(jié)果見(jiàn)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(yáng)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(yáng)塵顆粒會(huì)借由風(fēng)力作用向后擴(kuò)散,但是揚(yáng)塵濃度逐漸增加,這是因?yàn)橄鄬?duì)較大的顆粒由于慣性作用不容易隨氣流運(yùn)動(dòng)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(guò)程中受到的作用力更大,更容易被卷起形成揚(yáng)塵。因此,當(dāng)顆粒直徑增大時(shí),坦克行駛產(chǎn)生的揚(yáng)塵也會(huì)相應(yīng)增加。從圖3(b)看出,在t=5 s較小的顆粒此時(shí)形成的速度更快,顆粒越大形成速度越慢,揚(yáng)塵顆粒主要分布在坦克兩側(cè)和后方,總體的分布趨勢(shì)一致,小顆粒形成的揚(yáng)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(yáng)塵濃度分布關(guān)系

從圖4可知,發(fā)現(xiàn)不同粒徑下的揚(yáng)塵分布范圍一致,分布規(guī)律大體相同,揚(yáng)塵濃度會(huì)隨顆粒粒徑增大而增大,小顆粒揚(yáng)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(yáng)塵濃度達(dá)到頂峰速度更慢,但是存留在空中的時(shí)間更長(zhǎng),大顆粒的受風(fēng)力作用更小移動(dòng)速度慢于小顆粒。此時(shí),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(guò)以上的分析可以說(shuō)明揚(yáng)塵顆粒粒徑對(duì)揚(yáng)塵分布范圍具有一定的影響,揚(yáng)塵粒子的濃度值也會(huì)因?yàn)榱降淖兓哂胁煌挠绊?總體趨勢(shì)是顆粒直徑越大,產(chǎn)生的揚(yáng)塵也會(huì)越多,小顆粒形成的揚(yáng)塵濃度較低但是其受風(fēng)力作用大,移動(dòng)速度更快,相對(duì)較大的顆粒形成揚(yáng)塵濃度較高,受風(fēng)力影響較小。

3.2 不同地面粗糙度對(duì)揚(yáng)塵濃度分布的影響

在真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)中,在車輛行駛的過(guò)程中會(huì)在不同路面行駛,不同地面粗糙度會(huì)導(dǎo)致車輛尾部的旋渦不同。由此可見(jiàn),很有必要對(duì)典型地面下的坦克行駛過(guò)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(duì)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(yáng)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(yáng)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(duì)揚(yáng)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(yáng)塵濃度分布范圍逐漸減少,這是因?yàn)楫?dāng)?shù)孛孑^為平整時(shí),坦克行駛時(shí)與地面的摩擦力相對(duì)較小,攪動(dòng)地面表層物質(zhì)的能力較弱,而當(dāng)?shù)孛孑^為粗糙時(shí),則摩擦力增大,坦克與地面之間的接觸變得不光滑,攪動(dòng)地面表層物質(zhì)的能力增強(qiáng)。地面粗糙度低,從而攪動(dòng)地面表層物質(zhì)的能力較弱,行駛產(chǎn)生的揚(yáng)塵顆粒粒徑可能較小,而地面粗糙度較大時(shí),攪動(dòng)地面表層物質(zhì)的能力增強(qiáng),攪動(dòng)地面表層物質(zhì)的能力越大,卷起的揚(yáng)塵顆粒粒徑可能會(huì)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(shí)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(yáng)塵濃度分布基本一致,在相同條件下,由于地面粗糙度對(duì)揚(yáng)塵分布的影響較少,坦克行駛產(chǎn)生的揚(yáng)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(duì)稱軸截面處的揚(yáng)塵濃度影響較小,該截面處的揚(yáng)塵濃度不會(huì)出現(xiàn)較大的差異,由于湍流運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性,出現(xiàn)摩擦因數(shù)取0.5時(shí)質(zhì)量濃度最大,但總體的分布趨勢(shì)相同。從圖6(b)可知,在坦克車尾后方,揚(yáng)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(yáng)塵濃度越高,在該時(shí)刻內(nèi),主要集中在坦克尾部距離坦克尾部越遠(yuǎn)則揚(yáng)塵濃度越低,整體上揚(yáng)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(yáng)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(shí),履帶與地面的接觸會(huì)攪動(dòng)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(dòng)的顆粒越多,卷起的揚(yáng)塵顆粒粒徑可能會(huì)越大,從而產(chǎn)生的揚(yáng)塵濃度也會(huì)隨之增大。

3.3 不同加速度對(duì)揚(yáng)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(yùn)動(dòng)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(yáng)起的揚(yáng)塵發(fā)生變化,對(duì)典型加速度下的坦克行駛過(guò)程中的揚(yáng)塵濃度分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(yáng)塵分布范圍呈逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì),揚(yáng)塵濃度分布規(guī)律基本一致。此時(shí)揚(yáng)塵分布較為集中,形成一條存在于坦克后方的揚(yáng)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(yáng)塵濃度分布范圍有個(gè)明顯的向后擴(kuò)散趨勢(shì),這是因?yàn)榧铀俣仍酱?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(yáng)起的能量越大,同時(shí)坦克行駛加速度較大時(shí),坦克在地面上的沖擊力會(huì)增大,也會(huì)導(dǎo)致地面顆粒物更容易被攪動(dòng)從而懸浮在空中形成揚(yáng)塵,所以,加速度越大,產(chǎn)生的揚(yáng)塵濃度越大。此外加速度的增大會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的氣流擾動(dòng),當(dāng)坦克加速時(shí),由于速度變化,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流渦旋和湍流現(xiàn)象,這些氣流擾動(dòng)會(huì)將懸浮的揚(yáng)塵顆粒更迅速地向后方推動(dòng)和擴(kuò)散。加速度越大,產(chǎn)生的氣流擾動(dòng)越強(qiáng),揚(yáng)塵顆粒向后方擴(kuò)散的速度和范圍也會(huì)增加。

圖8 不同加速度和揚(yáng)塵濃度分布關(guān)系

從圖8(a)可知,在相同時(shí)間內(nèi),加速度越大,產(chǎn)生的揚(yáng)塵濃度越高,揚(yáng)塵增加和減少的趨勢(shì)相同,在不同加速度下的揚(yáng)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(yáng)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(shì),直到車尾處8 m左右位置,此時(shí)濃度幾乎持平,這是因?yàn)榧铀俣仍酱?產(chǎn)生氣流越強(qiáng)烈,會(huì)引起更大的顆粒飄向空中,但是顆粒越大移動(dòng)的速度越慢,故在車尾附近處,加速度大的揚(yáng)塵濃度相對(duì)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(huì)出現(xiàn)后續(xù)濃度持平的現(xiàn)象。

加速度越大,揚(yáng)塵帶逐漸后移,揚(yáng)塵分布范圍增加,揚(yáng)塵濃度也會(huì)隨之增加;越靠近坦克尾部,具有較大加速度的揚(yáng)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(guò)使用Fluent軟件進(jìn)行流體仿真模擬,研究了某坦克行駛時(shí)的揚(yáng)塵過(guò)程,探究了顆粒粒徑、地面粗糙度和加速度對(duì)揚(yáng)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(guò)程中,地面顆粒粒徑對(duì)揚(yáng)塵濃度具有一定影響,較大的顆粒粒徑會(huì)增加揚(yáng)塵濃度,大顆粒粒徑的顆粒物質(zhì)相對(duì)較重,相對(duì)較少受到風(fēng)的推動(dòng),小顆粒粒徑的顆粒物質(zhì)相對(duì)較輕,這使得小顆粒粒徑的顆粒物質(zhì)更容易被空氣流動(dòng)帶走,從而產(chǎn)生的揚(yáng)塵濃度相對(duì)較低且產(chǎn)生揚(yáng)塵的速度與移動(dòng)速度更快。

2) 坦克行駛產(chǎn)生的揚(yáng)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(dòng)地面表層物質(zhì)的能力增強(qiáng),摩擦力也就越大,攪動(dòng)地面表層物質(zhì)的能力越大,則行駛帶動(dòng)的顆粒越多,卷起的揚(yáng)塵顆粒粒徑可能會(huì)越大。因此,當(dāng)?shù)孛娲植诙茸兇髸r(shí),坦克行駛產(chǎn)生的揚(yáng)塵濃度也會(huì)相應(yīng)增加。

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