鄭朝亮，楊余旺，林 益，雍成成，林群青

(1.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094)

(2.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇南京210094)

20世紀(jì)中期以來，紅外成像仿真理論與技術(shù)獲得了高速發(fā)展，并且已經(jīng)成為當(dāng)今高科技領(lǐng)域內(nèi)的一大熱點(diǎn).在同一時(shí)期，美國開始了對飛機(jī)、坦克等軍用設(shè)備的紅外隱身研究［1］.另外，隨著紅外制導(dǎo)技術(shù)的高速發(fā)展和不斷成熟，以此為基礎(chǔ)的紅外制導(dǎo)武器也已逐漸成為軍用裝甲車輛的一個主要威脅［2］.與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國在目標(biāo)紅外輻射特性研究方面起點(diǎn)較低、起步較晚，這方面的工作在七五之后才逐漸開展.一些重點(diǎn)科研單位也逐漸開始分析和研究一些特殊背景的紅外輻射特性.

文中采用VC++對Fluent進(jìn)行二次開發(fā)，通過VC平臺向Fluent發(fā)送命令，F(xiàn)luent向VC平臺進(jìn)行信息反饋的方式，編制了裝甲車輛紅外仿真程序，并且在程序中加入熱模型、地面背景計(jì)算模塊等Fluent不具備但對于車輛紅外仿真來說是必須的功能，最終形成針對車輛紅外仿真較為方便、快捷、全面的模擬計(jì)算程序.

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 Fluent的二次開發(fā)

Fluent因具有簡單的界面，豐富的物理模型，以及快速的計(jì)算能力而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如計(jì)算熱傳導(dǎo)模型、輻射模型、離散相變模型等，這些對于紅外輻射的計(jì)算有著巨大的幫助.為了方便CFD軟件工程師更快速地對工程進(jìn)行分析計(jì)算仿真，可對Fluent進(jìn)行二次開發(fā)，形成專門服務(wù)工程的仿真平臺.文中利用VC++語言對Fluent進(jìn)行二次開發(fā)的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了研究.

1.2 紅外仿真計(jì)算模塊

為了彌補(bǔ)Fluent軟件在裝甲車輛紅外模擬計(jì)算方面的不足，引入教研室所編制的紅外輻射計(jì)算模塊以及地面背景計(jì)算模塊，提取其核心計(jì)算程序，與軟件程序進(jìn)行整合，完善整體軟件程序的計(jì)算功能.在程序中加入構(gòu)件熱模型、地面背景計(jì)算模塊和紅外輻射計(jì)算模塊等Fluent不具備，但是對于裝甲車輛紅外仿真來說必須的功能，最終形成用于車輛紅外仿真的較方便、快捷、全面的模擬計(jì)算程序.

在VC++中引入Fluent的類型庫文件后，驅(qū)動程序的基本流程如下:①如果Fluent尚未啟動，則啟動Fluent;②導(dǎo)入裝甲車輛的msh文件;③網(wǎng)格處理及參數(shù)確定，以合適的尺寸位置在本程序顯示;④熱模型設(shè)置，包括通用模型、材料設(shè)置等;⑤紅外輻射計(jì)算;⑥后處理.

2 紅外仿真數(shù)學(xué)模型

模擬計(jì)算坦克裝甲車輛與地面背景的溫度分布，包括坦克裝甲車輛本身的熱計(jì)算以及地面背景的熱計(jì)算.其中地面熱模型主要包含太陽輻射、天空背景輻射、天空大氣輻射等.除此之外，在車輛與地面相近的空間需要考慮車輛與地面之間的熱交互，遠(yuǎn)離該區(qū)域的熱交互由于相對微弱，因此可忽略不計(jì).具體構(gòu)成如圖1.

圖1 裝甲車輛與地面背景溫度場的計(jì)算組成Fig.1 Calculating composition of armored vehicles and the ground temperature field background

2.1 地面背景熱模型

地面背景的溫度計(jì)算基于教研室特定編制的地面背景溫度場計(jì)算程序.為了提高計(jì)算準(zhǔn)確性修改其計(jì)算程序所用到的太陽輻射模型，加入與Fluent軟件相同的太陽輻射模型，確保計(jì)算時(shí)地面背景與坦克車輛所吸收到的太陽輻射強(qiáng)度的一致性.計(jì)算時(shí)綜合考慮了大氣輻射、自身輻射、潛熱通量、顯熱通量等，最終得到地面背景隨時(shí)間變化的溫度場.其中地表能量的熱平衡方程式為［3］:

式中:Qsun為地表所吸收的太陽短波輻射;Qskyr為地表所吸收的大氣長波輻射;Mg為地表自身輻射;H為地表顯熱通量;LE為地表潛熱通量;G為地表所得熱通量.

2.2 太陽輻射

白天，裝甲車輛處于自然環(huán)境下，太陽輻射是該車輛與地表的主要外部熱源，對裝甲車輛表面與地表的溫度分布影響極大，從而影響它們的紅外輻射強(qiáng)度.由于時(shí)間不同，太陽輻射強(qiáng)度的差別很大，所以太陽輻射模型的精確與否對整體車輛與背景的溫度場計(jì)算影響很大.Fluent中所采用的太陽輻射模型為ASHRAE模型，包括太陽直射、太陽散射、周圍地物反射等［4］.到達(dá)物體表面的太陽輻射為:

式中:Et為物體表面接受到的太陽輻射;EDN為物體表面接受到的太陽直射;Ed為太陽散射到達(dá)物體表面并且被其接受的數(shù)值;Er為周圍地物反射到達(dá)物體表面并被其接受的數(shù)值;θ為物體表面的法線與太陽射線之間的夾角.

2.3 天空大氣輻射

天空大氣輻射是一種長波輻射，當(dāng)太陽光線穿過大氣時(shí)，一定比例的能量會被大氣吸收，再加上地球反射的一部分熱量被其吸收之后，最終使得天空大氣如地面背景一般具有一定的溫度，從而對地面以及目標(biāo)物體產(chǎn)生輻射.物體表面接收到的大氣輻射為［5］:

式中:ε為地表的發(fā)射率;σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，σ =5.67 ×10－8W/m2.K4;Tα為空氣溫度;εsky為大氣等效發(fā)射率，其值一般采用Brunt方程來得到.

式中:eα為空氣中水蒸氣的分壓力.計(jì)算方程為:

式中:rh為大氣濕度.

2.4 裝甲車輛熱模型

車輛與外界自然環(huán)境進(jìn)行熱交換的3種主要途徑分別是輻射、傳導(dǎo)和對流.實(shí)際上，對于紅外輻射有價(jià)值的物體表面大都是暴露于外界環(huán)境的空氣中，因此在一般情況下，裝甲車輛主要通過對流和輻射與外界進(jìn)行熱交換，并且當(dāng)車輛在行駛時(shí)，車輪、動力艙以及排氣管等都會產(chǎn)生大量的熱量，進(jìn)而通過內(nèi)部熱傳導(dǎo)以及輻射的形式影響車輛表面的溫度分布.

影響車輛外表面溫度分布的主要因素有地面輻射、太陽輻射、天空背景輻射等.對于本程序研究的裝甲車輛外表面而言，存在如下邊界條件［6］:

式中:n為表面外法線方向;Qradi為外界自然環(huán)境對目標(biāo)表面產(chǎn)生的輻射;Qrado為目標(biāo)自身的輻射;Qconv為目標(biāo)物體表面與外界自然環(huán)境間的對流換熱系數(shù).其中外界環(huán)境作用與目標(biāo)物體表面之間的輻射主要包括太陽輻射、地面輻射以及天空背景輻射，它們的關(guān)系為:

其中地面輻射為:

式中:εground為地面發(fā)射率;Tground為地面溫度;ε為目標(biāo)表面發(fā)射率.

目標(biāo)表面向外界輻射的熱量，可以由Stefan-Boltzmann定理計(jì)算得出:

式中:T為目標(biāo)表面溫度;ε為目標(biāo)表面發(fā)射率;σ為Stefan-Boltzmann常數(shù).

σ =5.67 × 10－8W/m2.K4

目標(biāo)物體外表面和大氣之間的對流換熱產(chǎn)生的熱量為:

式中:Tair為空氣溫度;H為目標(biāo)外表面對流換熱系數(shù)，它的值與目標(biāo)車輛的運(yùn)動速度和風(fēng)速相關(guān)，由于實(shí)際計(jì)算中對裝甲車輛不同區(qū)域給定精確的對流換熱系數(shù)是不太可行的，廣為采用的計(jì)算公式為［7］:

H=0.7331|T－Tair|+1.9ν+1.8 (11)式中:ν為實(shí)際風(fēng)速與目標(biāo)車輛運(yùn)動速度之間的矢量和;Tair為空氣溫度;T為目標(biāo)車輛表面的溫度.

2.5 紅外輻射特性

眾所周知，自然界中的所有物質(zhì)，只要它自身的溫度大于絕對零度，必然會不斷地以電磁波的形式向外界環(huán)境釋放能量，規(guī)定這種能量傳遞的方式為熱輻射.常溫下，自然環(huán)境中所有物體的熱輻射都將包括紅外輻射.所有物體表面的紅外輻射都必然包括自身輻射和反射輻射這兩種形式.

2.5.1 自身輻射

在已知物體表面溫度的前提下，根據(jù)普朗克公式對對應(yīng)大氣窗口下的波段范圍進(jìn)行積分求解，即可求得該大氣窗口下物體表面的自身輻射值，具體計(jì)算方法如下:

式中:λ1，λ2為紅外波段范圍的上下限(μm);T為單元表面溫度(K);ε(λ，T)為物體外表面的實(shí)際發(fā)射率，它的值由波長λ和溫度T決定;C1為第1輻射常數(shù)，其值為3.742×108W·μm4/m2;C2為第2輻射常數(shù)，其值為1.439×104μm·K.

2.5.2 反射輻射

物體表面的反射輻射根據(jù)所處環(huán)境不同而有所不同，處于一般自然環(huán)境下物體表面的反射輻射，主要有天空和地面背景輻射反射、太陽輻射反射和其他單元物體表面輻射反射，它們之間的關(guān)系為:

式中:ρisnufnra為紅外波段范圍內(nèi)物體單元表面接收到的太陽反射率;qisnufnra為紅外波段范圍內(nèi)物體單元表面接收到的太陽輻射值;ρinfra為紅外波段范圍內(nèi)物體單元表面接收到的反射率;qisnkfyra為紅外波段范圍內(nèi)物體單元表面接收到的天空背景輻射值;qijnfra為紅外波段范圍內(nèi)物體單元表面接收到的其他單元表面輻射值;N為單元表面?zhèn)€數(shù)［8］.

通過上述計(jì)算，得到車輛表面單元總輻射通量為:

3 結(jié)果分析

3.1 軟件程序與Fluent的交互

軟件程序的溫度計(jì)算模塊主要依靠Fluent軟件.軟件程序與Fluent之間的交互，是本軟件的主要功能之一.

本軟件通過void do－commands(CStringArray＆str)函數(shù)向Fluent發(fā)送命令，通過int getFluentWindow-布具有一定影響，但已經(jīng)不是車輛的主要熱特征.并且隨著車輛發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)間增加，與之相對應(yīng)的車輛表面溫度也隨之不斷上升，最終由于熱平衡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).受到輻射的地面也是如此.Lines()以及CString getFluentWindowLine(int n)語句對Fluent命令窗口的信息進(jìn)行檢索及反饋.前者檢索窗口信息的行數(shù)，后者返回第n行信息的內(nèi)容.

通過上述函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)本軟件程序與Fluent之間的交互通信，為裝甲車輛的溫度和紅外分析作好準(zhǔn)備.

3.2 裝甲車溫度特征分析

在陽光不強(qiáng)烈或太陽未升起的清晨，裝甲車輛發(fā)動機(jī)以及排氣管這類高溫發(fā)熱體就成為了整體車輛最主要的熱特征部件，并且這類高溫部件以熱輻射的形式影響了與其相鄰的部件和地面.圖2，3中，太陽輻射開始影響車輛整體的溫度，但是可從圖中看出，此時(shí)太陽輻射強(qiáng)度雖然對車輛的溫度分

圖2 車輛熱靜態(tài)上午8時(shí)的溫度分布Fig.2 Temperature distribution of vehicle thermal static at 8:00 am.

圖3 車輛熱靜態(tài)上午10時(shí)的溫度分布Fig.3 Temperature distribution of vehicle thermal static at 10:00 am.

在此狀態(tài)下，裝甲車輛表面某些易受影響的區(qū)域具有較為顯著的溫度對比，形成了一定的高溫區(qū)域，在模擬的紅外熱圖像上表現(xiàn)為該區(qū)域亮度較高.

3.3 裝甲車紅外特征分析

裝甲車輛的紅外輻射強(qiáng)度隨著時(shí)間的推移而逐漸增加，圖中亮度高的區(qū)域表示該區(qū)域溫度高，紅外輻射強(qiáng)度大;相反，圖中對應(yīng)的亮度較低的區(qū)域表示該區(qū)域溫度較低，從而紅外輻射強(qiáng)度也較小.圖4表明，隨著時(shí)間的推移，大氣溫度的升高，太陽輻射的強(qiáng)度會隨之增加，從而車輛表面的紅外輻射通量也將隨之增大.

圖4 裝甲車輛在7時(shí)和11時(shí)的紅外特征Fig.4 Infrared signature of armored vehicles in 7:00 and 11:00

4 結(jié)論

文中通過分析Fluent軟件在裝甲車輛紅外仿真模擬方面的局限性，采用Visual C++6.0開發(fā)語言、專業(yè)圖形程序接口 OpenGL、微軟基礎(chǔ)類庫MFC對Fluent進(jìn)行二次開發(fā)，成功編制了裝甲車輛紅外仿真程序.通過分析裝甲車輛不同狀態(tài)下的溫度特征圖與紅外特征圖，得到了在不同狀態(tài)下幾處較為明顯，可能成為探測重點(diǎn)的熱特征.本軟件給Fluent使用不熟練的用戶帶來了極大的便利，對于他們學(xué)習(xí)混合編程也大有裨益.

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