坦克动力舱热流场及红外辐射特性分析

骆清国,鲁 俊,赵 耀

(陆军装甲兵学院车辆工程系,北京 100072)

1 引 言

坦克动力舱即动力传动舱,舱内主要布置了动力传动装置及其他复杂部件,空间狭小,结构紧凑,内部空气流道不对称。高温热源多,除去散热系统的进排气窗外,其余都是封闭状态。

未来的主战坦克为了进一步提高“生存能力”将继续加大火炮的口径和提高装甲的厚度。因此,动力舱的布置尤为重要,采用发动机横置和先进集成的动力传动装置的设计已是必然趋。目前动力舱普遍采用“先进集成设计”的布置,而动力舱空间的减小与发动机功率的增加导致热负荷不断持续增长,使得舱内温度环境恶化,装甲板温度升高,红外信号明显,使坦克容易被各种红外探测设备发现并打击[1-3]。

本文基于计算流体力学的方法,用Fluent对坦克动力舱内流场进行了数值模拟。对于动力舱内产热装置热边界的获得,目前主要有两种方法,一是根据经验直接给出温度,这种方法人为因素大,与实际结果可能会有较大出入。二是采用热网络法,将三维数值问题转换为有多个节点构成的多个方向上的一维问题,能较准确的预测装置表面的温度,但此模型构建复杂,效率较低[4-5]。本文利用GT-SUITE软件构建了柴油机及其辅助系统的一维传热模型,减少了计算时间,模型精度也符合工程需求。

动力舱装甲板温度场的获得采用流固双向耦合的办法,将流体与固体耦合看做系统的内部条件,并考虑了太阳辐射的影响。再根据温度场建立红外辐射模型,为坦克红外辐射特性抑制提供依据。

2 坦克动力舱仿真模型的建立2.1 几何模型的建立

坦克动力舱从结构上可划分为两种,一种是开放式动力舱,即动力传动装置和动力舱散热器风扇风道是相通的。一种是封闭式动力舱,即动力传动装置与冷却风道之间用隔板隔离。本文针对封闭式动力舱,对几何模型进行了简化,保留了动力传动装置的基本外形,对一些细小凹凸不平且对流动影响较小的零件忽略,并主要考虑动力传动装置舱内的流体状态和装甲板温度,对散热器风道不与考虑。动力舱的几何简图和其简化的三维计算模型分别如图1和图2所示。

图1 封闭式动力舱

图2 动力舱三维计算模型

2.2 动力舱空气流场及装甲板温度场控制方程

2.2.1 动力舱空气的计算模型

本模型的主要流动区域分为舱外空气流动区域为和舱内流动区域。舱外区域主要考虑外界空气环境的影响。舱内流域为动力舱装甲板内表面与动力传动装置外表面之间构成的不规则风道。假定空气为不可压缩气体,且为定常流动,流体的控制方程满足流体力学三大方程即连续性方程、动量方程和能量方程。

对于湍流模型,本研究选用标准k-ε模型,此模型普遍使用于各种工业应用,其收敛性和精确性都能满足要求。方程如下所示。

湍流动量方程:

(1)

湍流动能耗散率方程:

(2)

式中,ρ为流体的密度;xi,xj为直角坐标系分量;k为湍流脉动动能;μ为流体分子的粘度系数;μi为湍流粘性系数为ε湍流耗散率;σk是对k的湍流普朗特数c1ε、c2ε为常系数;σε是对ε的湍流普朗特数;Gk是由时均速度梯度引起的k的增量,且有:

(3)

2.2.2 装甲板温度场的控制方程

动力舱装甲板与内外空气发生对流换热,且外部受太阳辐射的影响,同时装甲板内部也存在着导热,它们之间互相影响。这时要把装甲板作为已知热边界条件并不可行。所以采用流固耦合的方法将装甲板内外表面分别与内流场和外流场进行换热耦合,从而把流固接触面上的条件转化为系统内部条件,实现数据的实时传递。装甲板温度场的控制方程如下:

(4)

式中，k为热导率；T为温度；St为热量源项。

2.3 计算网格的划分

本文采用软件ICEM进行网格划分,本模型主要由动力舱外流场流域,动力舱内流场流域,和装甲板固体域组成。对于动力舱外流场区域,理论上是指舱外无穷远区域,在进行CFD计算时,综合计算机性能和计算进度,最终确定外流场大小为4500 mm×4000 mm×2500 mm。

本文采用混合网格进行划分,对于动力舱内流场和装甲板固体域,其形状复杂,用非结构化网格具有良好的适应性。对于外流场,采用结构化网格,可提高计算效率。整个网格数量最终为4952737个,划分情况如图3所示。

图3 计算网格示意图

3 边界条件的设定

3.1 热边界条件的获得

热边界条件是计算动力舱流场与装甲板温度场的重要条件,动力舱内主要发热装置为动力传动装置,其数值对结算结果影响较大。

3.1.1 动力装置热边界的获取

GT-SUITE是一款综合的汽车仿真分析套装软件,包括许多模块,可以进行集成仿真,并可以共享后处理模块。柴油机在工作时候,其传散热过程主要可以看做以下几个过程,先是内燃机内的高温燃气传给燃烧室(气缸盖、活塞和气缸体组成)；再由室壁的内表面传给外表面；又由室壁的外表面传递给冷却介质(水、机油或空气)。

本文用GT-SUITE对柴油机燃烧模型、机体一维传热模型、摩擦模型和冷却系统进行了耦合,可以实现数据实时传递,得到不同工况下的柴油机的主要部件的温度。柴油机的热平衡方程为[6]:

Qt=Qe+Qw+Qf+Qres

(5)

式中,Qt为燃料燃烧产生的热量；Qe为转化为有效功率所产生的热量；Qw为冷却介质带走的热量；Qf排放废气中的热量；Qres剩余热流量。

柴油机的一维传热综合模型如图4所示。利用此传热模型,可得到动力装置各壁面的温度。对于水箱和机油箱,可得到其内流体的温度,要得到其壁面温度,可将其看做为中空体,内表面与液体发生对流换热,外表面与空气进行换热,并看做稳态一维传热,其数学模型如式(6)所示。[7]

图4 柴油机一维传热综合模型

(6)

式中,tf1,tf2分别为箱体内外流体的温度;h为表面换热系数;λ为材料导热系数;δ为材料厚度。计算结果显示,箱体壁面温度接近箱内流体的温度,可近似看做相等。

3.1.2 传动装置热边界的获取

本装甲车列装的是新型综合传动装置,其内情况复杂,主体结构是由箱体、传动锥齿轮,液力变矩器,行星变速箱,无级转向机,汇流行星排,液力减速器等部件构成的[8],想要直接求出箱体壁面温度十分困难,本文直接给定温度为328 K。

3.2 其他边界条件的设定

在计算域的入口,给定为压力入口边界条件,在计算域的出口给定压力出口边界条件,在分析区域的左、右和顶侧,设置为对称边界条件,这样可以获得更好的收敛效果。

另外,本文考虑了太阳辐射,设定为离散坐标(DO)辐射模型,此模型基本适用范围广,考虑因素多,计算精度较高。

4 动力舱CFD计算结果分析

本模型给定工况为:大气压力为101.325 kPa,温度为300 K,发动机转速2000 r/min,以最高档、最高速度行驶。

图5为Z=1.8截面处速度云图,因为封闭式的动力传动装置外壁风道没有通风装置,舱内的流体主要靠自然对流,仅有尾装甲板处开有风口,但不能使舱内空气流动起来,所以舱内流速基本接近于0。

图5 Z=1.8 m处速度云图

图6和图7分别是Z=1.8 m处和Y=0.29 m处的温度场云图,图6的最高温度出现在排气管周围,可达近700 K。图7为位于排气管上方,此处布置较为复杂,可以看出增压器附近区域温度都比较高。

图6 Z=1.8 m处温度场云图

图7 Y=0.29 m处温度场云图

封闭式动力舱由于没有外界冷却空气进入带走高温部件的表面的热量,会变成一个封闭的 “死腔”导致高温部件附近热量积累,平均温度较高。长此以往,必将降低柴油机的可靠性和缩短柴油机寿命,应对其进行优化设计。

5 动力舱装甲板红外辐射模型的建立与结果分析

由Fluent得到动力舱装甲板的温度场后,利用有限元的思想,将装甲板划分为多个区域,在温度梯度大的地方,划分密集；在温度变化小的地方,划分稀疏。并认为各个单元的温度不变。每个单元可由自身发出的热辐射和它对外界辐射的反射两部分组成。

5.1 自身辐射

自身辐射主要对普朗克公式积分计算,其表达式为:

(7)

式中，Eλ1-λ2是单元在λ1-λ2波长上的光谱辐射照度；c1,c1为第一辐射常数和第二辐射常数；T为单元的温度。一般来说,考虑3～5 μm和8～14 μm两个大气窗口波段。

5.2 反射辐射

装甲板的反射辐射公式为:

(8)

(9)

I=L·ΔA·cosθ

(10)

其中，ε为面源的发射率；ΔA为面源的面积；θ为探测器与面源法向的夹角。

5.3 红外辐射计算结果分析

仍取本文第3节的仿真结果进行分析,由于动力舱前侧装甲板与车身连接、两侧装甲板被行走装置和裙摆遮挡、底部无法探测、所以不以考虑。本文只对上侧装甲板和为侧装甲板进行计算。

图8为上装甲板和尾装甲板光谱辐射亮度随波长的变化图,由图可以得出以下几点结论:

图8 装甲板光谱辐射亮度变化图

一是上装甲板的红外辐射亮度高于后装甲板,这是主要是因为上装甲板与柴油机增压器和机油箱发生对流换热和辐射换热,导致装甲板温度较高,红外辐射亮度较强。

二是可以看出装甲板光谱辐射亮度随着波长增加,先增大,然后减小,其峰值在9 μm左右,所以装甲板在8～14 μm波段的辐射亮度要远大于3～5 μm波段的辐射亮度,对装甲板的红外探测应以8～14 μm波段的信号为主[10]。其次,装甲板的温度对8～14 μm波段的红外辐射有着显著影响。

由公式(10)可得,红外辐射强度的大小与观测的角度有关,为研究方便,本文取垂直面XOZ平面为观测的平面,0°是坦克正前方,90°从坦克正上方,180°为坦克正后方。分别对装甲板在3～5 μm和8～14 μm波段的红外辐射强度进行计算。计算结果如图9和图10所示。

图9 装甲板3～5 μm波段辐射强度方向图

图10 装甲板8～14 μm波段辐射强度方向图

由图8、图9可以看出,8～14 μm的红外辐射强度比3～5 μm的红外辐射强度大一个数量级,红外辐射强度方向图整体呈梨型形状,装甲板的辐射在前方强度较弱,这是因为车身和炮塔的遮挡作用,红外辐射强度最大值约出现在120°观测角,这是由于尾装甲板和上装甲板的共同作用而造成的。上装甲板相对于尾装甲板,温度高、面加大,所以在90°观测方向的红外强度大于180°观测方向的红外强度,梨型的凸起部位也向上偏移。

6 结 论

本文以某型坦克动力舱为研究对象,利用软件Fluent对舱内热流场进行了数值模拟,得到舱内热状态；利用流固耦合传热的方法获得了装甲板温度场分布,进而建立红外辐射模型,获得了动力舱装甲板的红外辐射特性,可得到的结论如下:

(1)利用汽车综合软件GT-SUITE可以得到不同工况下柴油机及其附属部件壁面温度,可为动力舱的CFD计算提供热边界条件。

(2)由于封闭式动力舱内流动性差,会造成舱内热量的堆积,舱内温度最高可达700 K,出现在排气管周围,过高的温度会影响舱内发动机的寿命和电子元件的使用。

(3)通过对动力舱装甲板红外辐射特性的计算结果来看,动力舱上装甲板辐射强度较大,主要是原因离增压器和机油箱较近。并且装甲板的红外辐射主要集中8～14 μm波段。

(4)本文可为动力舱内流场的优化和装甲板红外辐射特性抑制研究提供参考。