基于Fluent二次開發(fā)的裝甲車輛紅外仿真

鄭朝亮，楊余旺，林 益，雍成成，林群青

(1.南京理工大學 計算機科學與工程學院，江蘇南京210094)

(2.南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇南京210094)

20世紀中期以來，紅外成像仿真理論與技術獲得了高速發(fā)展，并且已經(jīng)成為當今高科技領域內(nèi)的一大熱點.在同一時期，美國開始了對飛機、坦克等軍用設備的紅外隱身研究［1］.另外，隨著紅外制導技術的高速發(fā)展和不斷成熟，以此為基礎的紅外制導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)達國家相比，我國在目標紅外輻射特性研究方面起點較低、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、全面的模擬計算程序.

1 參數(shù)化設計

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，以及快速的計算能力而廣泛應用于各行各業(yè)，如計算熱傳導模型、輻射模型、離散相變模型等，這些對于紅外輻射的計算有著巨大的幫助.為了方便CFD軟件工程師更快速地對工程進行分析計算仿真，可對Fluent進行二次開發(fā)，形成專門服務工程的仿真平臺.文中利用VC++語言對Fluent進行二次開發(fā)的關鍵性技術進行了研究.

1.2 紅外仿真計算模塊

為了彌補Fluent軟件在裝甲車輛紅外模擬計算方面的不足，引入教研室所編制的紅外輻射計算模塊以及地面背景計算模塊，提取其核心計算程序，與軟件程序進行整合，完善整體軟件程序的計算功能.在程序中加入構件熱模型、地面背景計算模塊和紅外輻射計算模塊等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熱模型設置，包括通用模型、材料設置等;⑤紅外輻射計算;⑥后處理.

2 紅外仿真數(shù)學模型

模擬計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算以及地面背景的熱計算.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，遠離該區(qū)域的熱交互由于相對微弱，因此可忽略不計.具體構成如圖1.

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

2.1 地面背景熱模型

地面背景的溫度計算基于教研室特定編制的地面背景溫度場計算程序.為了提高計算準確性修改其計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，確保計算時地面背景與坦克車輛所吸收到的太陽輻射強度的一致性.計算時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度.由于時間不同，太陽輻射強度的差別很大，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為太陽散射到達物體表面并且被其接受的數(shù)值;Er為周圍地物反射到達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，當太陽光線穿過大氣時，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)境進行熱交換的3種主要途徑分別是輻射、傳導和對流.實際上，對于紅外輻射有價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行熱交換，并且當車輛在行駛時，車輪、動力艙以及排氣管等都會產(chǎn)生大量的熱量，進而通過內(nèi)部熱傳導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)境對目標表面產(chǎn)生的輻射;Qrado為目標自身的輻射;Qconv為目標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為目標表面發(fā)射率.

目標表面向外界輻射的熱量，可以由Stefan-Boltzmann定理計算得出:

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

σ =5.67 × 10－8W/m2.K4

目標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為目標外表面對流換熱系數(shù)，它的值與目標車輛的運動速度和風速相關，由于實際計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，廣為采用的計算公式為［7］:

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

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)普朗克公式對對應大氣窗口下的波段范圍進行積分求解，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)動機運行時間增加，與之相對應的車輛表面溫度也隨之不斷上升，最終由于熱平衡達到穩(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備.

3.2 裝甲車溫度特征分析

在陽光不強烈或太陽未升起的清晨，裝甲車輛發(fā)動機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，此時太陽輻射強度雖然對車輛的溫度分

圖2 車輛熱靜態(tài)上午8時的溫度分布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度隨著時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，紅外輻射強度大;相反，圖中對應的亮度較低的區(qū)域表示該區(qū)域溫度較低，從而紅外輻射強度也較小.圖4表明，隨著時間的推移，大氣溫度的升高，太陽輻射的強度會隨之增加，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時和11時的紅外特征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、微軟基礎類庫MFC對Fluent進行二次開發(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，對于他們學習混合編程也大有裨益.

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