不同因素作用下坦克行驶扬尘浓度分布规律数值模拟

陈慧敏， 冯星泰， 王凤杰， 刘伟博， 杨尚贤

(北京理工大学 机电动态控制重点实验室， 北京 100081)

0 引言

战场烟尘容易造成激光引信的虚警与早炸[1]，是制约装备对地激光引信平台应用与发展的重要难题之一。坦克行驶引起的扬尘是战场烟尘的主要成分之一，扬尘的扩散与运移是典型的气体与固体两相流运动[2]，采用数值模拟的方法对其运移规律和浓度分布及变化特点进行仿真研究，仿真中任意添加和改变影响扬尘分布的因素参数，可得出不同因素作用下的扬尘浓度分布规律，对坦克行驶扬尘的实验室模拟具有重要的意义。

影响扬尘浓度分布与运移规律的因素较多，国内外学者针对不同场景下的扬尘(粉尘)分布规律，运用数值模拟的方法做了一定的研究。文献[3]研究了施工隧道中的流体流动模式、粉尘浓度分布和颗粒运动特征，分析了通风量、隧道结构以及粒径分布与粉尘浓度的关系。文献[4]针对露天矿卡车运输时产生的扬尘，仿真比较了不同卡车速度对扬尘浓度分布的影响，并通过实测得出了仿真数据的相对误差。文献[5-7]针对煤矿工作面的粉尘运移与分布规律，通过将仿真结果与实测数据对比，验证了仿真模型与方法的可靠性，并仿真分析了空气流速、配风量、粉尘粒径等参数对粉尘扩散、沉降和累积作用的影响，得出了不同工作面条件下的粉尘浓度分布规律。文献[8]研究了矿山高溜井卸矿过程产生的冲击气流与粉尘分布之间的关系，并结合数值模拟对各影响因素的分析，提出了相应的降尘措施。文献[9-11]分别针对城市机动车扬尘、车间铸造粉尘和综合排放工作面粉尘，仿真分析了不同颗粒质量流率下的粉尘浓度分布与运移规律，揭示了不同环境下粉尘源强度对其浓度分布的影响。

通过文献[3-11]可以看出，运用数值模拟的方法研究扬尘的运移与分布规律是一种较为成熟可行的研究方法，但针对典型战场环境下扬尘的产生机理和不同条件下扬尘的分布与扩散规律研究尚处于空白，已有研究中以静态仿真为主，对开放空间中存在物体相对运动时产生的扬尘分布随时间的变化规律研究较少。因此，本文针对典型战场上坦克行驶引起的扬尘，在分析坦克行驶扬尘产生机理的基础上，采用动态仿真和运动坐标系的方法，以风速和扬尘质量流率为主要变化因素，对坦克行驶引起的扬尘浓度分布和变化规律进行了仿真，并作了相应的分析。仿真结果可为坦克行驶扬尘的实验室模拟提供一定的参考。

1 仿真模型及边界条件

1.1 仿真模型的建立

仿真模型包括数值模拟所需的三维物理模型和数值解算模型。利用三维计算机辅助设计软件Solidworks建立坦克三维模型并添加相应的数值模拟计算域，坦克和计算域模型尺寸如表1和图1所示。坦克在计算域中的坐标位置如图2所示。

表1 坦克三维模型尺寸

利用计算流体力学软件ANSYS Fluent进行坦克行驶扬尘的数值解算时，对于流体相和颗粒相的数值解算模型分别采用重整化群(RNG)k-ε模型[12]和离散相模型[13]，再通过随机轨道模型[14]计算湍流对扬尘颗粒的随机性影响，即可得到坦克行驶引起的扬尘在湍流随机作用下的浓度分布情况。文献[15]中对坦克行驶扬尘浓度分布的数值模拟理论模型作了详细论述，本文不再赘述。

1.2 流场边界条件

计算域边界条件如图1中标注所示。其中，计算域侧面和顶面设为对称边界条件，可最大限度消除计算域边界对流场的影响[16]；地面设为粗糙壁面，通过设置相关的粗糙度参数来表征地面的粗糙程度，使其接近实际的地面条件。坦克行驶方向为沿x轴正方向，通过设置相对于地面做匀速直线运动的动坐标系来实现坦克行驶外流场的动态模拟，动坐标系与坦克车体相对静止，其运动速度即代表了坦克的行驶速度。另外，在动坐标系中设置履带表面为移动壁面来表示坦克履带的转动，履带在动坐标系中转动的线速度与坦克行驶速度相同。

1.3 颗粒相边界条件

为了考虑坦克车重的影响，将扬尘颗粒的初始位置设为地面及履带表面，以颗粒的质量流率代表初始时刻扬尘颗粒在地面上的累积量，即积尘负荷。颗粒的真密度根据文献[17]对道路粉尘真密度的测量，取平均值2 366 kg/m3，平均粒径取4.45 μm. 采用瞬态仿真的方法，即仿真分析坦克行驶时扬尘分布随时间的变化，扬尘颗粒的释放条件为在初始的5 s内连续释放，用于模拟地面持续存在原始扬尘颗粒时的扬尘分布情况；5 s后扬尘颗粒停止释放，用于模拟无新颗粒源的条件下存在于流场中的扬尘分布变化情况。扬尘颗粒运动到达坦克表面和地面时的边界条件为反弹，到达计算域边界时的边界条件为逃逸。

2 仿真结果与分析

2.1 坦克行驶外流场分析

坦克行驶时造成周围空气流场的变化是扬尘产生的主要因素。首先运用相对性原理对坦克行驶外流场进行仿真，即坦克保持静止，从速度入口处设定来流风速与坦克行驶速度相同，观察坦克周围流场的变化。分别在坦克中心对称面z=-1.61 m截面、坦克履带处z=-0.50 m截面和坦克尾部x=-1.5 m截面观察分析坦克外流场，流场分布及流线图如图3所示。

从图3(a)可知，在坦克车身顶部，由于炮塔对气流的剪切作用，流速加快，速度梯度变化剧烈，在车身前部和尾部由于车身的阻挡和遮蔽作用，气流速度减慢。从图3(a)的流线图可以看到，在车身顶部及尾部，由于车身表面对气流的引导作用和剪切作用，尾部气流还会受到不同流速产生的压力梯度作用，造成气流方向来不及改变，从而产生了较为强烈的涡旋气流；在炮塔后方产生了向上的气流，这是因为其上方气流速度较快而产生压力差，在压力梯度力的作用下产生方向向上的流场；另外在尾部涡旋气流后方还产生了不连续的流线，表明此处流场不稳定，流场速度方向向其他维度迅速变化。

从图3(b)可知，在坦克履带后方，气流在车身引导下向斜下方运动，在靠近履带边缘处，气流受到履带和地面的阻滞，形成了流线方向变化剧烈的流场，并且在靠近地面处产生了顺时针旋转的气流涡旋。

图3(c)为垂直于空气来流方向在坦克尾部x=-1.5 m截面的流场分布图。从图3(c)中可以看出，坦克尾部气流的流动情况较为复杂，形成了较多的涡旋气流，流场分布大体上呈对称分布。其中在坦克履带尾部，来自上方的气流和履带尾部的气流汇合后形成了多种尺度的涡旋，下侧的涡旋为顺时针方向，上侧的涡旋为逆时针方向；中间部分产生了方向向上的流场，上升到一定高度后与上方气流汇合并向两侧流动，同时在中间上部由于对流的作用而产生了左边逆时针、右边顺时针的涡旋；在履带两侧，气流与履带后方紊乱的气流作用后在靠近地面处产生了尺度较大的涡旋，左侧涡旋为顺时针方向，右侧为逆时针方向。

从以上流场分析结果可以看出，坦克行驶过程中对周围空气造成了很大的扰动，坦克尾部流场速度梯度变化剧烈，坦克顶部、尾部及两侧形成了多种尺度的涡旋气流。在这些速度梯度变化剧烈的气流作用下，散布在地面的扬尘颗粒受到卷吸作用，开始向各个方向运动，造成坦克周围及尾部尘土飞扬。

图4为坦克行驶扬尘仿真结果在x=0.5 m和x=-1.5 m两个截面的浓度分布图。从图4可以看出，在坦克车身两侧，扬尘浓度较高的区域与湍流涡旋出现的区域基本一致，且在x=-1.5 m截面处左右两侧扬尘分布不均，说明坦克行驶时产生的涡旋气流是引起扬尘的主要原因之一，且在坦克尾部湍流对扬尘的随机扩散效应更明显。

2.2 不同风速下的坦克行驶扬尘浓度分布

自然条件下，风速是影响扬尘颗粒运动的主要因素之一。对坦克行驶时遇到正面迎风条件下的扬尘浓度分布进行仿真，主要仿真参数如表2所示。通过扬尘浓度分布云图观察不同风速对扬尘分布的影响，截取z=-1.61 m和y=1 m两个特征截面，在t=5 s和t=10 s两个时刻观察分析扬尘浓度分布云图，如图5和图6所示。

表2 不同风速下的主要仿真参数

从图5可知，坦克尾部扬尘随着风速的增大，其浓度和分布范围逐渐减小，且扬尘分布的高度也在逐渐减小，说明扬尘颗粒在风力的作用下扩散速度加快，扬尘在坦克尾部附近停留的时间变短，从而造成风速越大，尾部扬尘浓度越低。

从图6可知：在t=5 s时刻，风速主要影响扬尘在坦克两侧的分布，风速越大，坦克尾部两侧扬尘浓度越高，尤其在履带两侧扬尘分布明显增加，同时在风力的作用下，尾部较远处扬尘量逐渐增加；在t=10 s时刻，扬尘浓度在风力作用下明显降低，只有在静风条件下扬尘浓度依然较高，说明风力对扬尘的扩散具有重要影响。

对不同风速下的扬尘浓度变化趋势进行量化考查，提取坦克尾部x=-2 m和x=-6 m两个特征截面和沿垂直方向的y=1 m特征截面，计算每个截面在不同时刻的扬尘平均质量浓度，绘制其在不同风速下的变化趋势曲线，如图7所示。

从图7(a)、图7(b)可知：在靠近坦克尾部的x=-2 m截面，风速越大，扬尘平均质量浓度越小，在0～5 s内由于扬尘颗粒持续入射，而扬尘浓度持续增加的时间随着风速的增大而减小，说明风速越大，扬尘扩散越快；在距坦克尾部较远的x=-6 m截面，扬尘浓度的变化趋势呈现出在静风和低风速下先持续增加而后趋于稳定，在高风速下先增加后减小的变化趋势，说明在距离坦克尾部较远的区域，高风速对扬尘浓度的影响强于低风速。从图7(c)可以得出：在0～5 s内扬尘颗粒入射阶段，风速越高、扬尘浓度越大、浓度变化越迅速；在颗粒入射结束后，扬尘浓度在高风速下开始迅速下降，而低风速下仍然有缓慢上升的趋势。以上结果说明，风速对扬尘浓度的变化具有显著影响，风速越大，扬尘浓度变化越剧烈，扩散速度越快。

再对不同风速下扬尘浓度随x方向的变化趋势进行分析，选取t=5 s和t=10 s两个特征时刻，如图8所示。从图8可以看出：在t=5 s时刻，颗粒入射结束时，距离坦克尾部越远，风速对扬尘沿x方向的平均质量浓度影响越小；而在t=10 s时刻，风速的影响显著增强，在风力的作用下扬尘向后方运动，因此扬尘浓度沿负x方向持续增加，且风速越大，浓度越低，静风条件下扬尘浓度在x=-16 m后开始降低，说明在无风驱动时扬尘的扩散速度明显下降。

2.3 不同质量流率下的坦克行驶扬尘浓度分布

质量流率是指单位时间内进入流动区域的颗粒质量，其代表了地面上原始扬尘颗粒的数量，是扬尘颗粒的源强表征。对不同质量流率下的扬尘浓度分布进行仿真，主要仿真参数如表3所示。

首先通过扬尘浓度分布云图分析其变化趋势，如图9所示，选取t=5 s和t=10 s两个时刻，图9中显示图例的最大值为10-4kg/m3. 从图9可以看出：扬尘浓度在整体上随质量流率的增加而增加，尤其在尾部后上方浓度增加明显；在坦克尾部附近区域，t=5 s时刻扬尘浓度明显随质量流率的增加而增加，而在t=10 s时刻扬尘浓度区别并不明显，说明质量流率越大，扬尘扩散速度越快。

表3 不同质量流率下主要仿真参数

对坦克尾部x=-2 m和x=-6 m两个截面扬尘平均浓度随时间变化进行分析，结果如图10所示。从图10中可以看出，在两个截面扬尘平均浓度在4种质量流率下变化规律基本相同，都呈先增加后在一定浓度区间内震荡，质量流率越大、震荡越剧烈。

对不同质量流率下扬尘浓度沿垂直方向的分布规律进行分析，选取t=5 s和t=10 s两个时刻，得到扬尘平均浓度随y方向坐标值变化的规律，如图11所示。从图11可以看出，在两个时刻点，4种不同质量流率下扬尘平均浓度均呈指数规律衰减，质量流率越大，扬尘平均浓度越高，且变化趋势基本一致。

最后以质量流率为自变量，观察其对扬尘平均浓度变化的影响，选取x=-2 m、x=-6 m、y=0.9 m和y=1.8 m共4个典型截面，在t=5 s和t=10 s两个时刻观察，结果如图12所示。从图12可以看出，在两个时刻点，4个典型截面上扬尘平均浓度均随质量流率的增加而线性增加。据此，扬尘平均浓度在其他质量流率下的变化规律可由某一质量流率的扬尘平均浓度数据推算得出。

3 结论

本文以典型战场中坦克行驶扬尘的实验室模拟为研究背景，基于气体与固体两相流理论，利用ANSYS Fluent软件对坦克行驶引起的外流场变化及不同风速和不同扬尘质量流率下的坦克行驶扬尘浓度分布进行了仿真分析，得出以下3点结论：

1)坦克行驶时在车身尾部和两侧造成速度梯度变化剧烈的流场，并产生大量的湍流涡旋，其对地面扬尘颗粒产生的卷吸和扩散作用是坦克行驶引起大量扬尘的主要原因之一。

2)风速对扬尘扩散具有重要影响，风速越大，坦克尾部中心扬尘浓度越低，尾部两侧扬尘浓度越高；在距离坦克尾部较远的区域，扬尘平均浓度在高风速和低风速下的变化趋势有所不同，高风速下扬尘浓度变化更迅速；距离坦克尾部越远，风速对扬尘浓度的影响越小。

3)扬尘质量流率是坦克行驶引起扬尘的源强表征，质量流率越大，扬尘扩散速度越快，不同质量流率下扬尘平均浓度随时间的变化趋势基本相同；不同典型截面上扬尘平均浓度随质量流率的增加而线性增加，因此可根据某一质量流率的扬尘平均浓度数据推算得出其他质量流率下的扬尘平均浓度。

本文仿真结果尚未进行试验验证，下一步工作将通过测试实际的坦克行驶扬尘在不同条件下的浓度分布，与本文仿真结果进行比较，验证仿真模型与方法的可靠性，进行仿真误差分析并对仿真模型进行进一步改进，为坦克行驶扬尘的实验室模拟提供更可靠的数据参考。