基于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)坦克排煙熱氣紅外輻射仿真

趙 耀， 駱清國(guó)， 寧初明， 魯 俊， 桂 勇

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院車(chē)輛工程系， 北京 100072; 2. 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院， 北京 100039)

隨著紅外制導(dǎo)反坦克武器的發(fā)展，坦克裝甲車(chē)輛的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力受到了嚴(yán)重威脅，坦克裝甲車(chē)輛排出的高溫?zé)釤煔馐瞧浼t外輻射信號(hào)的一個(gè)重要來(lái)源，因此對(duì)其紅外信號(hào)特征進(jìn)行分析極為必要。相關(guān)學(xué)者對(duì)高溫?zé)釤煔獾募t外輻射特征計(jì)算進(jìn)行了大量的研究，如：馬千里等[1]利用窄譜帶模型法計(jì)算了導(dǎo)彈尾焰的紅外輻射；馬庚軍等[2]在流場(chǎng)仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上利用氣體輻射指數(shù)寬譜帶模型計(jì)算了直升機(jī)排氣系統(tǒng)的尾焰紅外輻射；李賀等[3]利用流體分析軟件Fluent在考慮水蒸氣、二氧化碳和一氧化碳等介質(zhì)傳播的基礎(chǔ)上，利用小哈德孫法計(jì)算得到了飛行器排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征；梅飛等[4]在不考慮大氣散射的情況下，利用表格法建立了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饧t外輻射傳輸方程，并通過(guò)微元離散法求解出了輻照度數(shù)值。在這些研究中，光譜法的應(yīng)用最為廣泛，其在低分辨率光譜試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)在不同水平對(duì)一定間隔內(nèi)氣體特性的近似，就能得到氣體的輻射特性參數(shù)。但光譜法只能模擬氣體在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)或全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射特性，不能得到氣體位于某個(gè)波長(zhǎng)的光譜輻射特性。高分辨率透射率分子吸收數(shù)據(jù)庫(kù)(High Transmission,HITRAN)是由美國(guó)空軍劍橋研究試驗(yàn)室匯編，用于氣體吸收和傳輸計(jì)算的工具[5]。筆者采用基于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)的逐線(xiàn)計(jì)算法對(duì)坦克排煙的紅外輻射特性進(jìn)行研究，以期能為坦克排煙的紅外抑制技術(shù)研究提供理論參考。

1 排煙流場(chǎng)分布和大氣透過(guò)率計(jì)算

1.1 排煙流場(chǎng)組分流場(chǎng)參數(shù)計(jì)算

坦克排煙紅外輻射屬于氣體輻射，該輻射具有光譜選擇性，其紅外輻射特性強(qiáng)弱主要取決于三原子組成的非對(duì)稱(chēng)分子H2O和CO2的含量。本文利用Fluent軟件對(duì)排煙流場(chǎng)的組分參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

假設(shè)柴油燃燒充分，生成的固體顆粒物較少，紅外輻射計(jì)算時(shí)忽略固體顆粒散射作用的影響。在某一典型工況下，坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，利用發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件GT-POWER仿真計(jì)算的結(jié)果，排煙管入口處氣體的成分為N2、H2O和CO2，這3種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為69%、9%和22%，排煙管入口處的溫度Tin=808 K。設(shè)定排煙管入口處為壓力入口邊界(壓力設(shè)為113 kPa)，外流場(chǎng)出口設(shè)置為壓力出口邊界(壓力設(shè)為89 kPa)，溫度為298 K，壁面條件設(shè)置為絕熱條件。排煙流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域示意圖如圖1所示。

利用Fluent軟件求解得到的排煙氣體溫度分布和輻射分子摩爾分?jǐn)?shù)分布的變化曲線(xiàn)如圖2、3所示。由圖2可以看出：隨著與排煙管軸線(xiàn)的縱向距離的增加，排煙氣體的溫度和組分摩爾分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)了下降，且呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的變化趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[6]中的結(jié)果相同，說(shuō)明仿真結(jié)果可信。

1.2 大氣衰減特性

當(dāng)紅外輻射在大氣中傳輸時(shí)，大氣中各種成分的吸收(主要的吸收氣體有H2O、CO2)、散射(如空氣分子、氣溶膠和云雨滴等)作用，加上大氣溫度、密度等變化的影響，會(huì)使紅外輻射有很大的衰減。

煙氣輻射經(jīng)過(guò)大氣的穿透率

γ=exp(-βλL)，

(1)

式中：L為紅外輻射達(dá)到探測(cè)儀所經(jīng)過(guò)的距離(m)；

βλ=κλ+σsλ，

(2)

為波長(zhǎng)為λ的光譜衰減系數(shù)，其中кλ為光譜吸收系數(shù)，σsλ為光譜散射系數(shù)。

大氣穿透率的計(jì)算比較復(fù)雜，早期大都利用查表法求解水平觀察路徑上的大氣穿透率，但該方法需要對(duì)大氣傳輸模型作大量簡(jiǎn)化，也未考慮散射的作用，精度較差[6]。因此，基于美國(guó)AFRL實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的LOWTRAN程序[5]計(jì)算紅外探測(cè)器位于不同高度時(shí)，目標(biāo)達(dá)到探測(cè)器傳輸路徑上的大氣透過(guò)率。選擇天氣條件為華北地區(qū)無(wú)風(fēng)、無(wú)雨的晴天，探測(cè)器和目標(biāo)相對(duì)位置如圖4所示。

3種不同探測(cè)條件下大氣穿透率的計(jì)算結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯?/p>

1) 當(dāng)探測(cè)距離為1 km，探測(cè)高度為0 km時(shí)，在2～5 μm波段大氣穿透率較高，曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)也與文獻(xiàn)[5]中的紅外波段大氣窗口吻合，說(shuō)明仿真結(jié)果可信；在2.7、4.3 μm附近大氣透過(guò)率明顯降低，這是因?yàn)樵趯?duì)流層下部H2O和CO2分子較多，在2.7、4.3 μm波段H2O和CO2分子對(duì)紅外輻射的吸收作用較強(qiáng)。

2) 當(dāng)探測(cè)距離均為1 km時(shí)，與探測(cè)器高度為0 km時(shí)相比，探測(cè)器高度0.5 km時(shí)的大氣穿透率明顯較高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋簩?duì)流層中CO2的成分固定不變，但H2O分子在大氣中的含量則隨著高度的降低而增加，因此導(dǎo)致紅外輻射在向高空中傳播時(shí)受到的衰減作用小于在水平地面上傳播。

3) 當(dāng)探測(cè)高度為0 km(即水平探測(cè))時(shí)，探測(cè)距離越長(zhǎng)，穿透率越低，這也跟CO2和H2O的吸收作用有關(guān)。

2 高分辨率氣體紅外輻射計(jì)算方法

2.1 基于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)的高光譜分辨率氣體輻射特性參數(shù)計(jì)算模型

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，對(duì)于同一氣體，波數(shù)η時(shí)的光譜吸收系數(shù)к(η)等于發(fā)生重合的譜線(xiàn)吸收系數(shù)之和，即

(3)

式中：κi(η)為第i條譜線(xiàn)在波數(shù)η處的吸收系數(shù)；N為重合的譜線(xiàn)數(shù)；Si為第i條譜線(xiàn)的譜線(xiàn)積分強(qiáng)度；gi(η-η0)為第i條譜線(xiàn)的線(xiàn)形函數(shù)，其中η0為第i條譜線(xiàn)中心處的波數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，譜線(xiàn)積分強(qiáng)度

[1-exp(-hcη0/kT0)]×

(4)

根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)給出的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣中各分子吸收線(xiàn)參數(shù)[8]，可以計(jì)算出每根譜線(xiàn)的譜線(xiàn)積分強(qiáng)度S0。而排煙流場(chǎng)中輻射氣體分子的溫度和壓強(qiáng)均為非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，需要基于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行理論外推，其得到的非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下譜線(xiàn)強(qiáng)度Si的換算公式為

(5)

式中：NL為體積內(nèi)的分子數(shù)；E1為躍遷低態(tài)能；

Q(T)=a+bT+dT2+eT3，

(6)

為配分函數(shù)，其中a、b、d、e均為系數(shù)，可以通過(guò)查詢(xún)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)得到。

結(jié)合式(5)、(6)可以得出Si。根據(jù)文獻(xiàn)[8]提出的計(jì)算方法，在氣體的溫度為T(mén)、壓強(qiáng)為P時(shí)平均吸收系數(shù)

(7)

2.2 排煙輻射氣體光譜輻射亮度的計(jì)算公式

氣體的吸收率為氣體吸收的能量與投射能量之比。根據(jù)貝爾定律[9]，若光譜投射能量為Iλ(0)，氣體中射線(xiàn)的行程長(zhǎng)度為l，氣體光譜吸收系數(shù)為κλ，則吸收的能量M為

M=Iλ(0)[1-exp(-κλl)]，

(8)

光譜吸收率

αλ=1-exp(-κλl)。

(9)

根據(jù)基爾霍夫定律可知：氣體的光譜發(fā)射率ελ與αλ相等。根據(jù)普朗克定律可得：氣體的光譜輻射出射度

(10)

式中：c1為第一輻射常數(shù)；c2為第二輻射常數(shù)。

將氣體視為朗伯輻射源，則氣體的光譜輻射亮度

Lλ=Eλ/π。

(11)

2.3 算例驗(yàn)證

為了對(duì)所建立的基于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)的高光譜分辨率氣體輻射特性參數(shù)計(jì)算模型和高分辨率氣體紅外輻射計(jì)算模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，選用了文獻(xiàn)[10]中的試驗(yàn)條件進(jìn)行仿真。

圖6為CO2吸收系數(shù)仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯觯涸? 550～2 555 cm-1波段，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好，其最大誤差僅為2%，完全滿(mǎn)足工程計(jì)算的需要。

圖7為高分辨率氣體紅外輻射仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯觯悍抡娼Y(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合良好，僅在3～3.5 μm和4～4.5 μm這2個(gè)波段有較大的偏差，且計(jì)算值普遍大于測(cè)試值，這與仿真時(shí)只考慮CO2和H2O分子的吸收與散射，未考慮實(shí)際燃燒產(chǎn)生的固體顆粒分子的影響有關(guān)。

3 坦克排煙紅外輻射特性分析

利用C-G近似譜帶模型法和高分辨率氣體紅外輻射計(jì)算模型，對(duì)某一典型工況下探測(cè)距離為1 km時(shí)的坦克排煙光譜輻射亮度進(jìn)行模擬計(jì)算，并利用光譜探測(cè)儀器對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

圖8、9為坦克排煙在2 000～2 500 cm-1和3 800～4 100 cm-1波段內(nèi)，不考慮和考慮大氣衰減作用下的光譜輻射亮度分布。

由圖8、9可以看出：

1) 不考慮大氣衰減作用時(shí)：(1)光譜輻射亮度的分布呈現(xiàn)駝峰形狀，峰值分別位于2 100、2 400、3 950 cm-1，這是由于高溫排煙熱氣與周?chē)牡蜏乜諝膺M(jìn)行了混合，使得溫度出現(xiàn)下降；(2)光譜輻射亮度在2 350 cm-1附近降到最低，這是因?yàn)闅怏w的紅外輻射在傳輸過(guò)程中被排煙和周?chē)鷼怏w中的CO2吸收，而CO2在2 350 cm-1附近的吸收作用最強(qiáng)。

2) 考慮大氣衰減的影響后，所有波段的光譜輻射亮度值都出現(xiàn)了下降，且曲線(xiàn)的形狀出現(xiàn)了起伏，這說(shuō)明大氣輻射的衰減作用對(duì)紅外輻射的分布影響較大，在計(jì)算時(shí)需要著重考慮。

3) 通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與C-G近似譜帶模型相比，利用高分辨率氣體紅外輻射計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果更接近，說(shuō)明其計(jì)算的精度更高。

4 結(jié)論

筆者建立了基于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)的高光譜分辨率氣體輻射特性參數(shù)計(jì)算模型，然后利用排煙輻射氣體光譜輻射亮度的計(jì)算公式通過(guò)仿真得到了坦克排煙的紅外輻射特征。該方法能夠準(zhǔn)確地得到坦克排煙中主要輻射氣體的輻射特性參數(shù)和排煙的紅外輻射特征分布，與C-G近似譜帶模型相比，其精度較高。該方法為坦克紅外輻射特征的研究提供了理論參考。