駱清國,魯 俊,趙 耀

(陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系,北京 100072)

1 引 言

坦克動力艙即動力傳動艙,艙內(nèi)主要布置了動力傳動裝置及其他復(fù)雜部件,空間狹小,結(jié)構(gòu)緊湊,內(nèi)部空氣流道不對稱。高溫?zé)嵩炊?除去散熱系統(tǒng)的進(jìn)排氣窗外,其余都是封閉狀態(tài)。

未來的主戰(zhàn)坦克為了進(jìn)一步提高“生存能力”將繼續(xù)加大火炮的口徑和提高裝甲的厚度。因此,動力艙的布置尤為重要,采用發(fā)動機(jī)橫置和先進(jìn)集成的動力傳動裝置的設(shè)計(jì)已是必然趨。目前動力艙普遍采用“先進(jìn)集成設(shè)計(jì)”的布置,而動力艙空間的減小與發(fā)動機(jī)功率的增加導(dǎo)致熱負(fù)荷不斷持續(xù)增長,使得艙內(nèi)溫度環(huán)境惡化,裝甲板溫度升高,紅外信號明顯,使坦克容易被各種紅外探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)并打擊[1-3]。

本文基于計(jì)算流體力學(xué)的方法,用Fluent對坦克動力艙內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。對于動力艙內(nèi)產(chǎn)熱裝置熱邊界的獲得,目前主要有兩種方法,一是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接給出溫度,這種方法人為因素大,與實(shí)際結(jié)果可能會有較大出入。二是采用熱網(wǎng)絡(luò)法,將三維數(shù)值問題轉(zhuǎn)換為有多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多個(gè)方向上的一維問題,能較準(zhǔn)確的預(yù)測裝置表面的溫度,但此模型構(gòu)建復(fù)雜,效率較低[4-5]。本文利用GT-SUITE軟件構(gòu)建了柴油機(jī)及其輔助系統(tǒng)的一維傳熱模型,減少了計(jì)算時(shí)間,模型精度也符合工程需求。

動力艙裝甲板溫度場的獲得采用流固雙向耦合的辦法,將流體與固體耦合看做系統(tǒng)的內(nèi)部條件,并考慮了太陽輻射的影響。再根據(jù)溫度場建立紅外輻射模型,為坦克紅外輻射特性抑制提供依據(jù)。

2 坦克動力艙仿真模型的建立2.1 幾何模型的建立

坦克動力艙從結(jié)構(gòu)上可劃分為兩種,一種是開放式動力艙,即動力傳動裝置和動力艙散熱器風(fēng)扇風(fēng)道是相通的。一種是封閉式動力艙,即動力傳動裝置與冷卻風(fēng)道之間用隔板隔離。本文針對封閉式動力艙,對幾何模型進(jìn)行了簡化,保留了動力傳動裝置的基本外形,對一些細(xì)小凹凸不平且對流動影響較小的零件忽略,并主要考慮動力傳動裝置艙內(nèi)的流體狀態(tài)和裝甲板溫度,對散熱器風(fēng)道不與考慮。動力艙的幾何簡圖和其簡化的三維計(jì)算模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 封閉式動力艙

圖2 動力艙三維計(jì)算模型

2.2 動力艙空氣流場及裝甲板溫度場控制方程

2.2.1 動力艙空氣的計(jì)算模型

本模型的主要流動區(qū)域分為艙外空氣流動區(qū)域?yàn)楹团搩?nèi)流動區(qū)域。艙外區(qū)域主要考慮外界空氣環(huán)境的影響。艙內(nèi)流域?yàn)閯恿ε撗b甲板內(nèi)表面與動力傳動裝置外表面之間構(gòu)成的不規(guī)則風(fēng)道。假定空氣為不可壓縮氣體,且為定常流動,流體的控制方程滿足流體力學(xué)三大方程即連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。

對于湍流模型,本研究選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,此模型普遍使用于各種工業(yè)應(yīng)用,其收斂性和精確性都能滿足要求。方程如下所示。

湍流動量方程:

(1)

湍流動能耗散率方程:

(2)

式中,ρ為流體的密度;xi,xj為直角坐標(biāo)系分量;k為湍流脈動動能;μ為流體分子的粘度系數(shù);μi為湍流粘性系數(shù)為ε湍流耗散率;σk是對k的湍流普朗特?cái)?shù)c1ε、c2ε為常系數(shù);σε是對ε的湍流普朗特?cái)?shù);Gk是由時(shí)均速度梯度引起的k的增量,且有:

(3)

2.2.2 裝甲板溫度場的控制方程

動力艙裝甲板與內(nèi)外空氣發(fā)生對流換熱,且外部受太陽輻射的影響,同時(shí)裝甲板內(nèi)部也存在著導(dǎo)熱,它們之間互相影響。這時(shí)要把裝甲板作為已知熱邊界條件并不可行。所以采用流固耦合的方法將裝甲板內(nèi)外表面分別與內(nèi)流場和外流場進(jìn)行換熱耦合,從而把流固接觸面上的條件轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部條件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞。裝甲板溫度場的控制方程如下:

(4)

式中，k為熱導(dǎo)率；T為溫度；St為熱量源項(xiàng)。

2.3 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

本文采用軟件ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分,本模型主要由動力艙外流場流域,動力艙內(nèi)流場流域,和裝甲板固體域組成。對于動力艙外流場區(qū)域,理論上是指艙外無窮遠(yuǎn)區(qū)域,在進(jìn)行CFD計(jì)算時(shí),綜合計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算進(jìn)度,最終確定外流場大小為4500 mm×4000 mm×2500 mm。

本文采用混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分,對于動力艙內(nèi)流場和裝甲板固體域,其形狀復(fù)雜,用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有良好的適應(yīng)性。對于外流場,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,可提高計(jì)算效率。整個(gè)網(wǎng)格數(shù)量最終為4952737個(gè),劃分情況如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

3 邊界條件的設(shè)定

3.1 熱邊界條件的獲得

熱邊界條件是計(jì)算動力艙流場與裝甲板溫度場的重要條件,動力艙內(nèi)主要發(fā)熱裝置為動力傳動裝置,其數(shù)值對結(jié)算結(jié)果影響較大。

3.1.1 動力裝置熱邊界的獲取

GT-SUITE是一款綜合的汽車仿真分析套裝軟件,包括許多模塊,可以進(jìn)行集成仿真,并可以共享后處理模塊。柴油機(jī)在工作時(shí)候,其傳散熱過程主要可以看做以下幾個(gè)過程,先是內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的高溫燃?xì)鈧鹘o燃燒室(氣缸蓋、活塞和氣缸體組成)；再由室壁的內(nèi)表面?zhèn)鹘o外表面；又由室壁的外表面?zhèn)鬟f給冷卻介質(zhì)(水、機(jī)油或空氣)。

本文用GT-SUITE對柴油機(jī)燃燒模型、機(jī)體一維傳熱模型、摩擦模型和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了耦合,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞,得到不同工況下的柴油機(jī)的主要部件的溫度。柴油機(jī)的熱平衡方程為[6]:

Qt=Qe+Qw+Qf+Qres

(5)

式中,Qt為燃料燃燒產(chǎn)生的熱量；Qe為轉(zhuǎn)化為有效功率所產(chǎn)生的熱量；Qw為冷卻介質(zhì)帶走的熱量；Qf排放廢氣中的熱量；Qres剩余熱流量。

柴油機(jī)的一維傳熱綜合模型如圖4所示。利用此傳熱模型,可得到動力裝置各壁面的溫度。對于水箱和機(jī)油箱,可得到其內(nèi)流體的溫度,要得到其壁面溫度,可將其看做為中空體,內(nèi)表面與液體發(fā)生對流換熱,外表面與空氣進(jìn)行換熱,并看做穩(wěn)態(tài)一維傳熱,其數(shù)學(xué)模型如式(6)所示。[7]

圖4 柴油機(jī)一維傳熱綜合模型

(6)

式中,tf1,tf2分別為箱體內(nèi)外流體的溫度;h為表面換熱系數(shù);λ為材料導(dǎo)熱系數(shù);δ為材料厚度。計(jì)算結(jié)果顯示,箱體壁面溫度接近箱內(nèi)流體的溫度,可近似看做相等。

3.1.2 傳動裝置熱邊界的獲取

本裝甲車列裝的是新型綜合傳動裝置,其內(nèi)情況復(fù)雜,主體結(jié)構(gòu)是由箱體、傳動錐齒輪,液力變矩器,行星變速箱,無級轉(zhuǎn)向機(jī),匯流行星排,液力減速器等部件構(gòu)成的[8],想要直接求出箱體壁面溫度十分困難,本文直接給定溫度為328 K。

3.2 其他邊界條件的設(shè)定

在計(jì)算域的入口,給定為壓力入口邊界條件,在計(jì)算域的出口給定壓力出口邊界條件,在分析區(qū)域的左、右和頂側(cè),設(shè)置為對稱邊界條件,這樣可以獲得更好的收斂效果。

另外,本文考慮了太陽輻射,設(shè)定為離散坐標(biāo)(DO)輻射模型,此模型基本適用范圍廣,考慮因素多,計(jì)算精度較高。

4 動力艙CFD計(jì)算結(jié)果分析

本模型給定工況為:大氣壓力為101.325 kPa,溫度為300 K,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2000 r/min,以最高檔、最高速度行駛。

圖5為Z=1.8截面處速度云圖,因?yàn)榉忾]式的動力傳動裝置外壁風(fēng)道沒有通風(fēng)裝置,艙內(nèi)的流體主要靠自然對流,僅有尾裝甲板處開有風(fēng)口,但不能使艙內(nèi)空氣流動起來,所以艙內(nèi)流速基本接近于0。

圖5 Z=1.8 m處速度云圖

圖6和圖7分別是Z=1.8 m處和Y=0.29 m處的溫度場云圖,圖6的最高溫度出現(xiàn)在排氣管周圍,可達(dá)近700 K。圖7為位于排氣管上方,此處布置較為復(fù)雜,可以看出增壓器附近區(qū)域溫度都比較高。

圖6 Z=1.8 m處溫度場云圖

圖7 Y=0.29 m處溫度場云圖

封閉式動力艙由于沒有外界冷卻空氣進(jìn)入帶走高溫部件的表面的熱量,會變成一個(gè)封閉的 “死腔”導(dǎo)致高溫部件附近熱量積累,平均溫度較高。長此以往,必將降低柴油機(jī)的可靠性和縮短柴油機(jī)壽命,應(yīng)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 動力艙裝甲板紅外輻射模型的建立與結(jié)果分析

由Fluent得到動力艙裝甲板的溫度場后,利用有限元的思想,將裝甲板劃分為多個(gè)區(qū)域,在溫度梯度大的地方,劃分密集；在溫度變化小的地方,劃分稀疏。并認(rèn)為各個(gè)單元的溫度不變。每個(gè)單元可由自身發(fā)出的熱輻射和它對外界輻射的反射兩部分組成。

5.1 自身輻射

自身輻射主要對普朗克公式積分計(jì)算,其表達(dá)式為:

(7)

式中，Eλ1-λ2是單元在λ1-λ2波長上的光譜輻射照度；c1,c1為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)；T為單元的溫度。一般來說,考慮3～5 μm和8～14 μm兩個(gè)大氣窗口波段。

5.2 反射輻射

裝甲板的反射輻射公式為:

(8)

(9)

I=L·ΔA·cosθ

(10)

其中，ε為面源的發(fā)射率；ΔA為面源的面積；θ為探測器與面源法向的夾角。

5.3 紅外輻射計(jì)算結(jié)果分析

仍取本文第3節(jié)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析,由于動力艙前側(cè)裝甲板與車身連接、兩側(cè)裝甲板被行走裝置和裙擺遮擋、底部無法探測、所以不以考慮。本文只對上側(cè)裝甲板和為側(cè)裝甲板進(jìn)行計(jì)算。

圖8為上裝甲板和尾裝甲板光譜輻射亮度隨波長的變化圖,由圖可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

圖8 裝甲板光譜輻射亮度變化圖

一是上裝甲板的紅外輻射亮度高于后裝甲板,這是主要是因?yàn)樯涎b甲板與柴油機(jī)增壓器和機(jī)油箱發(fā)生對流換熱和輻射換熱,導(dǎo)致裝甲板溫度較高,紅外輻射亮度較強(qiáng)。

二是可以看出裝甲板光譜輻射亮度隨著波長增加,先增大,然后減小,其峰值在9 μm左右,所以裝甲板在8～14 μm波段的輻射亮度要遠(yuǎn)大于3～5 μm波段的輻射亮度,對裝甲板的紅外探測應(yīng)以8～14 μm波段的信號為主[10]。其次,裝甲板的溫度對8～14 μm波段的紅外輻射有著顯著影響。

由公式(10)可得,紅外輻射強(qiáng)度的大小與觀測的角度有關(guān),為研究方便,本文取垂直面XOZ平面為觀測的平面,0°是坦克正前方,90°從坦克正上方,180°為坦克正后方。分別對裝甲板在3～5 μm和8～14 μm波段的紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 裝甲板3～5 μm波段輻射強(qiáng)度方向圖

圖10 裝甲板8～14 μm波段輻射強(qiáng)度方向圖

由圖8、圖9可以看出,8～14 μm的紅外輻射強(qiáng)度比3～5 μm的紅外輻射強(qiáng)度大一個(gè)數(shù)量級,紅外輻射強(qiáng)度方向圖整體呈梨型形狀,裝甲板的輻射在前方強(qiáng)度較弱,這是因?yàn)檐嚿砗团谒恼趽踝饔?紅外輻射強(qiáng)度最大值約出現(xiàn)在120°觀測角,這是由于尾裝甲板和上裝甲板的共同作用而造成的。上裝甲板相對于尾裝甲板,溫度高、面加大,所以在90°觀測方向的紅外強(qiáng)度大于180°觀測方向的紅外強(qiáng)度,梨型的凸起部位也向上偏移。

6 結(jié) 論

本文以某型坦克動力艙為研究對象,利用軟件Fluent對艙內(nèi)熱流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到艙內(nèi)熱狀態(tài)；利用流固耦合傳熱的方法獲得了裝甲板溫度場分布,進(jìn)而建立紅外輻射模型,獲得了動力艙裝甲板的紅外輻射特性,可得到的結(jié)論如下:

(1)利用汽車綜合軟件GT-SUITE可以得到不同工況下柴油機(jī)及其附屬部件壁面溫度,可為動力艙的CFD計(jì)算提供熱邊界條件。

(2)由于封閉式動力艙內(nèi)流動性差,會造成艙內(nèi)熱量的堆積,艙內(nèi)溫度最高可達(dá)700 K,出現(xiàn)在排氣管周圍,過高的溫度會影響艙內(nèi)發(fā)動機(jī)的壽命和電子元件的使用。

(3)通過對動力艙裝甲板紅外輻射特性的計(jì)算結(jié)果來看,動力艙上裝甲板輻射強(qiáng)度較大,主要是原因離增壓器和機(jī)油箱較近。并且裝甲板的紅外輻射主要集中8～14 μm波段。

(4)本文可為動力艙內(nèi)流場的優(yōu)化和裝甲板紅外輻射特性抑制研究提供參考。