陳慧敏， 馮星泰， 王鳳杰， 劉偉博， 楊尚賢

(北京理工大學(xué) 機電動態(tài)控制重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

戰(zhàn)場煙塵容易造成激光引信的虛警與早炸[1]，是制約裝備對地激光引信平臺應(yīng)用與發(fā)展的重要難題之一。坦克行駛引起的揚塵是戰(zhàn)場煙塵的主要成分之一，揚塵的擴散與運移是典型的氣體與固體兩相流運動[2]，采用數(shù)值模擬的方法對其運移規(guī)律和濃度分布及變化特點進行仿真研究，仿真中任意添加和改變影響揚塵分布的因素參數(shù)，可得出不同因素作用下的揚塵濃度分布規(guī)律，對坦克行駛揚塵的實驗室模擬具有重要的意義。

影響揚塵濃度分布與運移規(guī)律的因素較多，國內(nèi)外學(xué)者針對不同場景下的揚塵(粉塵)分布規(guī)律，運用數(shù)值模擬的方法做了一定的研究。文獻[3]研究了施工隧道中的流體流動模式、粉塵濃度分布和顆粒運動特征，分析了通風量、隧道結(jié)構(gòu)以及粒徑分布與粉塵濃度的關(guān)系。文獻[4]針對露天礦卡車運輸時產(chǎn)生的揚塵，仿真比較了不同卡車速度對揚塵濃度分布的影響，并通過實測得出了仿真數(shù)據(jù)的相對誤差。文獻[5-7]針對煤礦工作面的粉塵運移與分布規(guī)律，通過將仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比，驗證了仿真模型與方法的可靠性，并仿真分析了空氣流速、配風量、粉塵粒徑等參數(shù)對粉塵擴散、沉降和累積作用的影響，得出了不同工作面條件下的粉塵濃度分布規(guī)律。文獻[8]研究了礦山高溜井卸礦過程產(chǎn)生的沖擊氣流與粉塵分布之間的關(guān)系，并結(jié)合數(shù)值模擬對各影響因素的分析，提出了相應(yīng)的降塵措施。文獻[9-11]分別針對城市機動車揚塵、車間鑄造粉塵和綜合排放工作面粉塵，仿真分析了不同顆粒質(zhì)量流率下的粉塵濃度分布與運移規(guī)律，揭示了不同環(huán)境下粉塵源強度對其濃度分布的影響。

通過文獻[3-11]可以看出，運用數(shù)值模擬的方法研究揚塵的運移與分布規(guī)律是一種較為成熟可行的研究方法，但針對典型戰(zhàn)場環(huán)境下?lián)P塵的產(chǎn)生機理和不同條件下?lián)P塵的分布與擴散規(guī)律研究尚處于空白，已有研究中以靜態(tài)仿真為主，對開放空間中存在物體相對運動時產(chǎn)生的揚塵分布隨時間的變化規(guī)律研究較少。因此，本文針對典型戰(zhàn)場上坦克行駛引起的揚塵，在分析坦克行駛揚塵產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，采用動態(tài)仿真和運動坐標系的方法，以風速和揚塵質(zhì)量流率為主要變化因素，對坦克行駛引起的揚塵濃度分布和變化規(guī)律進行了仿真，并作了相應(yīng)的分析。仿真結(jié)果可為坦克行駛揚塵的實驗室模擬提供一定的參考。

1 仿真模型及邊界條件

1.1 仿真模型的建立

仿真模型包括數(shù)值模擬所需的三維物理模型和數(shù)值解算模型。利用三維計算機輔助設(shè)計軟件Solidworks建立坦克三維模型并添加相應(yīng)的數(shù)值模擬計算域，坦克和計算域模型尺寸如表1和圖1所示。坦克在計算域中的坐標位置如圖2所示。

表1 坦克三維模型尺寸

利用計算流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent進行坦克行駛揚塵的數(shù)值解算時，對于流體相和顆粒相的數(shù)值解算模型分別采用重整化群(RNG)k-ε模型[12]和離散相模型[13]，再通過隨機軌道模型[14]計算湍流對揚塵顆粒的隨機性影響，即可得到坦克行駛引起的揚塵在湍流隨機作用下的濃度分布情況。文獻[15]中對坦克行駛揚塵濃度分布的數(shù)值模擬理論模型作了詳細論述，本文不再贅述。

1.2 流場邊界條件

計算域邊界條件如圖1中標注所示。其中，計算域側(cè)面和頂面設(shè)為對稱邊界條件，可最大限度消除計算域邊界對流場的影響[16]；地面設(shè)為粗糙壁面，通過設(shè)置相關(guān)的粗糙度參數(shù)來表征地面的粗糙程度，使其接近實際的地面條件。坦克行駛方向為沿x軸正方向，通過設(shè)置相對于地面做勻速直線運動的動坐標系來實現(xiàn)坦克行駛外流場的動態(tài)模擬，動坐標系與坦克車體相對靜止，其運動速度即代表了坦克的行駛速度。另外，在動坐標系中設(shè)置履帶表面為移動壁面來表示坦克履帶的轉(zhuǎn)動，履帶在動坐標系中轉(zhuǎn)動的線速度與坦克行駛速度相同。

1.3 顆粒相邊界條件

為了考慮坦克車重的影響，將揚塵顆粒的初始位置設(shè)為地面及履帶表面，以顆粒的質(zhì)量流率代表初始時刻揚塵顆粒在地面上的累積量，即積塵負荷。顆粒的真密度根據(jù)文獻[17]對道路粉塵真密度的測量，取平均值2 366 kg/m3，平均粒徑取4.45 μm. 采用瞬態(tài)仿真的方法，即仿真分析坦克行駛時揚塵分布隨時間的變化，揚塵顆粒的釋放條件為在初始的5 s內(nèi)連續(xù)釋放，用于模擬地面持續(xù)存在原始揚塵顆粒時的揚塵分布情況；5 s后揚塵顆粒停止釋放，用于模擬無新顆粒源的條件下存在于流場中的揚塵分布變化情況。揚塵顆粒運動到達坦克表面和地面時的邊界條件為反彈，到達計算域邊界時的邊界條件為逃逸。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 坦克行駛外流場分析

坦克行駛時造成周圍空氣流場的變化是揚塵產(chǎn)生的主要因素。首先運用相對性原理對坦克行駛外流場進行仿真，即坦克保持靜止，從速度入口處設(shè)定來流風速與坦克行駛速度相同，觀察坦克周圍流場的變化。分別在坦克中心對稱面z=-1.61 m截面、坦克履帶處z=-0.50 m截面和坦克尾部x=-1.5 m截面觀察分析坦克外流場，流場分布及流線圖如圖3所示。

從圖3(a)可知，在坦克車身頂部，由于炮塔對氣流的剪切作用，流速加快，速度梯度變化劇烈，在車身前部和尾部由于車身的阻擋和遮蔽作用，氣流速度減慢。從圖3(a)的流線圖可以看到，在車身頂部及尾部，由于車身表面對氣流的引導(dǎo)作用和剪切作用，尾部氣流還會受到不同流速產(chǎn)生的壓力梯度作用，造成氣流方向來不及改變，從而產(chǎn)生了較為強烈的渦旋氣流；在炮塔后方產(chǎn)生了向上的氣流，這是因為其上方氣流速度較快而產(chǎn)生壓力差，在壓力梯度力的作用下產(chǎn)生方向向上的流場；另外在尾部渦旋氣流后方還產(chǎn)生了不連續(xù)的流線，表明此處流場不穩(wěn)定，流場速度方向向其他維度迅速變化。

從圖3(b)可知，在坦克履帶后方，氣流在車身引導(dǎo)下向斜下方運動，在靠近履帶邊緣處，氣流受到履帶和地面的阻滯，形成了流線方向變化劇烈的流場，并且在靠近地面處產(chǎn)生了順時針旋轉(zhuǎn)的氣流渦旋。

圖3(c)為垂直于空氣來流方向在坦克尾部x=-1.5 m截面的流場分布圖。從圖3(c)中可以看出，坦克尾部氣流的流動情況較為復(fù)雜，形成了較多的渦旋氣流，流場分布大體上呈對稱分布。其中在坦克履帶尾部，來自上方的氣流和履帶尾部的氣流匯合后形成了多種尺度的渦旋，下側(cè)的渦旋為順時針方向，上側(cè)的渦旋為逆時針方向；中間部分產(chǎn)生了方向向上的流場，上升到一定高度后與上方氣流匯合并向兩側(cè)流動，同時在中間上部由于對流的作用而產(chǎn)生了左邊逆時針、右邊順時針的渦旋；在履帶兩側(cè)，氣流與履帶后方紊亂的氣流作用后在靠近地面處產(chǎn)生了尺度較大的渦旋，左側(cè)渦旋為順時針方向，右側(cè)為逆時針方向。

從以上流場分析結(jié)果可以看出，坦克行駛過程中對周圍空氣造成了很大的擾動，坦克尾部流場速度梯度變化劇烈，坦克頂部、尾部及兩側(cè)形成了多種尺度的渦旋氣流。在這些速度梯度變化劇烈的氣流作用下，散布在地面的揚塵顆粒受到卷吸作用，開始向各個方向運動，造成坦克周圍及尾部塵土飛揚。

圖4為坦克行駛揚塵仿真結(jié)果在x=0.5 m和x=-1.5 m兩個截面的濃度分布圖。從圖4可以看出，在坦克車身兩側(cè)，揚塵濃度較高的區(qū)域與湍流渦旋出現(xiàn)的區(qū)域基本一致，且在x=-1.5 m截面處左右兩側(cè)揚塵分布不均，說明坦克行駛時產(chǎn)生的渦旋氣流是引起揚塵的主要原因之一，且在坦克尾部湍流對揚塵的隨機擴散效應(yīng)更明顯。

2.2 不同風速下的坦克行駛揚塵濃度分布

自然條件下，風速是影響揚塵顆粒運動的主要因素之一。對坦克行駛時遇到正面迎風條件下的揚塵濃度分布進行仿真，主要仿真參數(shù)如表2所示。通過揚塵濃度分布云圖觀察不同風速對揚塵分布的影響，截取z=-1.61 m和y=1 m兩個特征截面，在t=5 s和t=10 s兩個時刻觀察分析揚塵濃度分布云圖，如圖5和圖6所示。

表2 不同風速下的主要仿真參數(shù)

從圖5可知，坦克尾部揚塵隨著風速的增大，其濃度和分布范圍逐漸減小，且揚塵分布的高度也在逐漸減小，說明揚塵顆粒在風力的作用下擴散速度加快，揚塵在坦克尾部附近停留的時間變短，從而造成風速越大，尾部揚塵濃度越低。

從圖6可知：在t=5 s時刻，風速主要影響揚塵在坦克兩側(cè)的分布，風速越大，坦克尾部兩側(cè)揚塵濃度越高，尤其在履帶兩側(cè)揚塵分布明顯增加，同時在風力的作用下，尾部較遠處揚塵量逐漸增加；在t=10 s時刻，揚塵濃度在風力作用下明顯降低，只有在靜風條件下?lián)P塵濃度依然較高，說明風力對揚塵的擴散具有重要影響。

對不同風速下的揚塵濃度變化趨勢進行量化考查，提取坦克尾部x=-2 m和x=-6 m兩個特征截面和沿垂直方向的y=1 m特征截面，計算每個截面在不同時刻的揚塵平均質(zhì)量濃度，繪制其在不同風速下的變化趨勢曲線，如圖7所示。

從圖7(a)、圖7(b)可知：在靠近坦克尾部的x=-2 m截面，風速越大，揚塵平均質(zhì)量濃度越小，在0～5 s內(nèi)由于揚塵顆粒持續(xù)入射，而揚塵濃度持續(xù)增加的時間隨著風速的增大而減小，說明風速越大，揚塵擴散越快；在距坦克尾部較遠的x=-6 m截面，揚塵濃度的變化趨勢呈現(xiàn)出在靜風和低風速下先持續(xù)增加而后趨于穩(wěn)定，在高風速下先增加后減小的變化趨勢，說明在距離坦克尾部較遠的區(qū)域，高風速對揚塵濃度的影響強于低風速。從圖7(c)可以得出：在0～5 s內(nèi)揚塵顆粒入射階段，風速越高、揚塵濃度越大、濃度變化越迅速；在顆粒入射結(jié)束后，揚塵濃度在高風速下開始迅速下降，而低風速下仍然有緩慢上升的趨勢。以上結(jié)果說明，風速對揚塵濃度的變化具有顯著影響，風速越大，揚塵濃度變化越劇烈，擴散速度越快。

再對不同風速下?lián)P塵濃度隨x方向的變化趨勢進行分析，選取t=5 s和t=10 s兩個特征時刻，如圖8所示。從圖8可以看出：在t=5 s時刻，顆粒入射結(jié)束時，距離坦克尾部越遠，風速對揚塵沿x方向的平均質(zhì)量濃度影響越??；而在t=10 s時刻，風速的影響顯著增強，在風力的作用下?lián)P塵向后方運動，因此揚塵濃度沿負x方向持續(xù)增加，且風速越大，濃度越低，靜風條件下?lián)P塵濃度在x=-16 m后開始降低，說明在無風驅(qū)動時揚塵的擴散速度明顯下降。

2.3 不同質(zhì)量流率下的坦克行駛揚塵濃度分布

質(zhì)量流率是指單位時間內(nèi)進入流動區(qū)域的顆粒質(zhì)量，其代表了地面上原始揚塵顆粒的數(shù)量，是揚塵顆粒的源強表征。對不同質(zhì)量流率下的揚塵濃度分布進行仿真，主要仿真參數(shù)如表3所示。

首先通過揚塵濃度分布云圖分析其變化趨勢，如圖9所示，選取t=5 s和t=10 s兩個時刻，圖9中顯示圖例的最大值為10-4kg/m3. 從圖9可以看出：揚塵濃度在整體上隨質(zhì)量流率的增加而增加，尤其在尾部后上方濃度增加明顯；在坦克尾部附近區(qū)域，t=5 s時刻揚塵濃度明顯隨質(zhì)量流率的增加而增加，而在t=10 s時刻揚塵濃度區(qū)別并不明顯，說明質(zhì)量流率越大，揚塵擴散速度越快。

表3 不同質(zhì)量流率下主要仿真參數(shù)

對坦克尾部x=-2 m和x=-6 m兩個截面揚塵平均濃度隨時間變化進行分析，結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，在兩個截面揚塵平均濃度在4種質(zhì)量流率下變化規(guī)律基本相同，都呈先增加后在一定濃度區(qū)間內(nèi)震蕩，質(zhì)量流率越大、震蕩越劇烈。

對不同質(zhì)量流率下?lián)P塵濃度沿垂直方向的分布規(guī)律進行分析，選取t=5 s和t=10 s兩個時刻，得到揚塵平均濃度隨y方向坐標值變化的規(guī)律，如圖11所示。從圖11可以看出，在兩個時刻點，4種不同質(zhì)量流率下?lián)P塵平均濃度均呈指數(shù)規(guī)律衰減，質(zhì)量流率越大，揚塵平均濃度越高，且變化趨勢基本一致。

最后以質(zhì)量流率為自變量，觀察其對揚塵平均濃度變化的影響，選取x=-2 m、x=-6 m、y=0.9 m和y=1.8 m共4個典型截面，在t=5 s和t=10 s兩個時刻觀察，結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出，在兩個時刻點，4個典型截面上揚塵平均濃度均隨質(zhì)量流率的增加而線性增加。據(jù)此，揚塵平均濃度在其他質(zhì)量流率下的變化規(guī)律可由某一質(zhì)量流率的揚塵平均濃度數(shù)據(jù)推算得出。

3 結(jié)論

本文以典型戰(zhàn)場中坦克行駛揚塵的實驗室模擬為研究背景，基于氣體與固體兩相流理論，利用ANSYS Fluent軟件對坦克行駛引起的外流場變化及不同風速和不同揚塵質(zhì)量流率下的坦克行駛揚塵濃度分布進行了仿真分析，得出以下3點結(jié)論：

1)坦克行駛時在車身尾部和兩側(cè)造成速度梯度變化劇烈的流場，并產(chǎn)生大量的湍流渦旋，其對地面揚塵顆粒產(chǎn)生的卷吸和擴散作用是坦克行駛引起大量揚塵的主要原因之一。

2)風速對揚塵擴散具有重要影響，風速越大，坦克尾部中心揚塵濃度越低，尾部兩側(cè)揚塵濃度越高；在距離坦克尾部較遠的區(qū)域，揚塵平均濃度在高風速和低風速下的變化趨勢有所不同，高風速下?lián)P塵濃度變化更迅速；距離坦克尾部越遠，風速對揚塵濃度的影響越小。

3)揚塵質(zhì)量流率是坦克行駛引起揚塵的源強表征，質(zhì)量流率越大，揚塵擴散速度越快，不同質(zhì)量流率下?lián)P塵平均濃度隨時間的變化趨勢基本相同；不同典型截面上揚塵平均濃度隨質(zhì)量流率的增加而線性增加，因此可根據(jù)某一質(zhì)量流率的揚塵平均濃度數(shù)據(jù)推算得出其他質(zhì)量流率下的揚塵平均濃度。

本文仿真結(jié)果尚未進行試驗驗證，下一步工作將通過測試實際的坦克行駛揚塵在不同條件下的濃度分布，與本文仿真結(jié)果進行比較，驗證仿真模型與方法的可靠性，進行仿真誤差分析并對仿真模型進行進一步改進，為坦克行駛揚塵的實驗室模擬提供更可靠的數(shù)據(jù)參考。