液固颗粒对装甲车辆热辐射特性的影响机制及热模型可信度评估方法研究

发布时间：2020-11-02 23:25

　　 随着军事科技的飞速发展,现代战争力求全天候、全天时地展开,因此对武器装备的全天候作战能力的需求越来越迫切。复杂环境下地面目标及背景红外特性的获知技术是对地面目标进行全天候探测、识别、打击以及隐身性能评估的重要技术之一,研究复杂环境下液固颗粒对装甲车辆热辐射特性的影响对准确获知复杂环境下地面目标的红外辐射特性具有重要意义。基于地面目标热辐射测试数据,考虑热辐射模型影响参数的不确定度,可对地面目标的热辐射模型的可信度进行评估,进而为模型在目标隐身设计、隐身评估、目标探测识别等领域的应用提供有力依据。因此,液固颗粒对装甲车辆热辐射特性的影响机制及热模型可信度评估方法的研究具有重要的应用价值。本文总结归纳了装甲车辆的通用热辐射计算模型,通过液固颗粒对辐射传输以及表面传热特性的影响研究,建立了复杂气象条件下装甲车辆热辐射特性的计算模型,研究了液固颗粒对装甲车辆热辐射特性的影响规律,评估了装甲车辆热辐射模型的可信度,研制了装甲车辆红外辐射特性计算集成软件。具体内容包括以下几个方面:1.雨雾对辐射传输的影响研究在归纳总结雨雾物理特性描述模型的基础上,采用Bouguer-Lambert定律和MIE散射理论,针对大气中的吸收和散射粒子,给出了大气透过率的计算方法。考虑雨滴、雾滴对电磁辐射的吸收和散射作用,计算研究了雨雾的红外辐射衰减特性。通过对现有文献模型的修正,建立了雨雾条件下天空背景长波辐射的经验计算模型;基于大量实测数据,采用非线性拟合理论,提出了雨雾条件下太阳辐射的经验计算模型。2.液固颗粒对表面传热特性的影响机理研究雨雾、沙尘等复杂气象环境下,由于雨雾滴或灰尘等液固颗粒的飘落或沉降作用,目标表面将形成相应的液膜、随机分布液滴或固体颗粒物沉积层,从而影响表面的光学吸收特性以及表面的对流换热。因此,本文从以上两方面研究液固颗粒对表面传热特性的影响。首先,通过对固体颗粒沉积层物理结构与能量吸收机理的分析,找出了固体颗粒沉积层的光谱吸收特性的各种影响因素;在一种基于辐射能量传递过程分解的射线踪迹法(RTM-DRE)的基础上,结合等效介质理论和MIE散射理论,揭示了入射能量在非均匀介质内的传递机理,建立了具有非均质固体颗粒沉积层表面表观吸收特性的计算模型;以灰尘为例,定量分析了灰尘厚度、粒径、堆积率、覆盖率、化学组分、含水量以及基底反射特性等因素对表面表观吸收特性的影响规律。其次,基于传输矩阵理论,考虑液膜或液滴内的多次反射和吸收作用,并结合液滴的随机分布特性和红外辐射分布特性,建立了具有随机分布液滴表面的表观吸收特性的预测模型,详细分析了水滴平均高度、覆盖率、水滴与表面的温差等因素对表面等效吸收率的影响。实验研究对比表明,以上两种表面的表观吸收特性的预测模型均具有较高精度。其三,考虑雨雾与表面间的吸附、蒸发、凝结、冲刷换热等传热传质过程,建立了雨雾条件表面的对流换热模型,分析了雨雾条件表面的温度变化特性,并研究了雾能见度、风速对雾天表面温度变化特性的影响,揭示了雨雾对表面传热特性的影响规律,实验验证了雨天条件表面的温度计算模型。3.液固颗粒对装甲车辆热辐射特性的影响分析在装甲车辆热辐射特性通用计算模型的基础上,考虑复杂气象条件对辐射传输的影响,考虑液固颗粒对表面表观吸收特性的影响效应以及对表面对流换热的影响,针对虚拟坦克模型和地面背景进行了热辐射特性计算分析,研究了不同气象条件下不同运行工况坦克的温度和红外辐射特性的变化规律,分析了不同气象环境下(雨、雾、灰尘)坦克红外辐射特性的主要差异,数值计算了坦克的点源探测特性,揭示了复杂气象环境下雨雾滴、灰尘等液固颗粒对坦克热辐射特性的影响规律。4.装甲车辆热辐射模型可信度评估方法的研究基于系统灵敏度理论和系统温度差统计方法,建立了装甲车辆温度灵敏度计算模型,系统分析了不同计算参数的温度灵敏度。基于正交试验方法,确定了装甲车辆热辐射模型的灵敏影响因子。考虑热辐射理论模型偏差导致的计算误差、灵敏影响因子计算参数不确定性导致的计算误差以及数值计算误差,建立了红外辐射计算总误差的分析方法,并提出了红外辐射仿真结果可信度的两种评价方法:一是给定置信水平的计算误差置信区间的分析方法;二是给定计算结果可信阈值的模型可信度置信区间的分析方法,评估分析了精确几何建模的简单正方腔体和几何模型存在较大偏差的典型特种车辆的红外辐射仿真结果的可信度。对于几何建模存在较大偏差的特种车辆,其3-5μm和8-14μm波段红外计算误差的置信水平为0.95的置信区间分别为(9.48%±0.79%)和(3.84%±0.32%),从而验证了热辐射模型的可靠性。5.装甲车辆红外辐射特性计算集成软件的开发基于WINDOWS操作系统,利用软件工程的原理和方法设计研制了装甲车辆红外辐射特性计算集成软件,提供了完整的装甲车辆温度和红外辐射特性计算的功能。软件将复杂环境热边界模块化,并通过文本命令与Fluent进行交互,将其作为后台温度解算器。采用MFC可视化程序设计语言开发了软件的操作界面,在操作界面中可以完成目标与背景计算参数的输入以及相关功能的设定。采用OPENGL图形库进行计算数据的分析,并完成目标与背景的红外场景渲染等后处理功能。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ810
【部分图文】：

射特性通用计算模型辆热辐射特性通用计算模型??境下，装甲车辆与地面背景所处的环境包括晴天、多云、阴天、、霾、沙尘等复杂气象环境以及包含战场火焰、爆炸烟尘、装环境，统称为复杂环境。不同环境下，装甲车辆与复杂环境间装甲车辆与地面背景红外辐射特性由装甲车辆与地面背景自身外辐射的反射两部分组成。装甲车辆与地面背景自身的热辐射温度分布息息相关，而装甲车辆与地面背景的温度计算又受到境红外辐射也受诸多因素的影响，特别是复杂气象环境和复杂复杂环境为例，给出装甲车辆与地面背景热辐射特性建模的通

传热传质引起的对流换热。同时，车辆与背景的温度计算建模还需要考虑车辆与背景间??的热交互作用。??图２．１中值得注意的是，雨、雾、雪、霜、露、沙尘、霾、爆炸烟尘、战场火焰、??装备行驶扬尘等复杂环境中相应的液固颗粒将对热辐射建模过程中产生多个方面影响：??（１）车辆表面传热传质过程；（２）车辆表面光学特性；（３）太阳辐射、大气辐射和大??气衰减特性。??本章将基于以往关于装甲车辆热辐射特性的研宄工作，考虑车辆与环境间的对流换??热、外部辐射、车辆与背景的热交互作用等外部因素，考虑车辆几何模型、运行状态、??隐身措施、材料参数、内部构件间的相互作用等内部因素，归纳给出装甲车辆通用温度??计算模型。基于车辆的温度分布，考虑车辆的自身辐射、表面对环境辐射的反射，考虑??复杂环境对大气传输特性以及表面光学特性的影响，归纳给出通用的装甲车辆热辐射计??算模型。最后，对装甲车辆通用热辐射模型的影响因素进行定性分析，指出模型可信度??分析的必要性。??２．１物理模型??■變太剛一＾??■一?地面反射太阳轱射—??ｗ?一痛＾?／?大气輻射圃■■丨？??目标自身辐射??，排气尾流辐射—？??＼?Ｉ?ｉ?＾地表■热、潜热?？??Ｉ?导热及摩擦产热??图２．２装甲车辆与地面背景的热边界示意图??车辆与地面背景红外辐射特性计算的前提是确定车辆与地面背景的温度分布

为ＩｎＤ的期望，／／?＝?ｆｌ２＋Ｚ？２ｌｎＪ；?ｃｌｎＪ。其中各系数的取值可根据降雨类型有文献［１２］给出。??州雨滴分布模型??滴分布模型是１９９５年由仇盛柏等人利用激光滴谱仪在广州开果的基础上提出的一种雨滴谱模型。根据降雨量的大小，分别雨等三种雨类的尺寸分布模型，其表达式如下［１７４］：??小雨：ｉＶ（Ｚ））?＝?１１８７３．５ｅｘｐ（－４．０Ｊ＂°?１８￡＞）??广延雨：ｉＶ（Ｄ）?＝?９４４６．５ｅｘｐＣ－ｌＳＪ＂０．２１／））暴雨：７Ｖ〇Ｄ）?＝?６１８３．９ｅｘｐ（－５＿０ｊ４．２６Ｄ）??分布相比，广州雨滴尺寸分布差异较大，这体现了广州雨滴尺地区的雨滴尺寸分布也不同于我国内地的雨滴尺寸分布，它代区典型的雨滴尺寸分布。??下落速度??１“?￣＼?１?ｔｉｌｌ?Ｉ?｜??

本文编号：2867738