基于HITRAN數據庫坦克排煙熱氣紅外輻射仿真

趙 耀， 駱清國， 寧初明， 魯 俊， 桂 勇

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

隨著紅外制導反坦克武器的發展，坦克裝甲車輛的戰場生存能力受到了嚴重威脅，坦克裝甲車輛排出的高溫熱煙氣是其紅外輻射信號的一個重要來源，因此對其紅外信號特征進行分析極為必要。相關學者對高溫熱煙氣的紅外輻射特征計算進行了大量的研究，如：馬千里等[1]利用窄譜帶模型法計算了導彈尾焰的紅外輻射；馬庚軍等[2]在流場仿真結果的基礎上利用氣體輻射指數寬譜帶模型計算了直升機排氣系統的尾焰紅外輻射；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傳播的基礎上，利用小哈德孫法計算得到了飛行器排氣系統的紅外輻射特征；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動機的燃氣紅外輻射傳輸方程，并通過微元離散法求解出了輻照度數值。在這些研究中，光譜法的應用最為廣泛，其在低分辨率光譜試驗結果的基礎上，通過在不同水平對一定間隔內氣體特性的近似，就能得到氣體的輻射特性參數。但光譜法只能模擬氣體在某一波長范圍內或全波長范圍內的輻射特性，不能得到氣體位于某個波長的光譜輻射特性。高分辨率透射率分子吸收數據庫(High Transmission,HITRAN)是由美國空軍劍橋研究試驗室匯編，用于氣體吸收和傳輸計算的工具[5]。筆者采用基于HITRAN數據庫的逐線計算法對坦克排煙的紅外輻射特性進行研究，以期能為坦克排煙的紅外抑制技術研究提供理論參考。

1 排煙流場分布和大氣透過率計算

1.1 排煙流場組分流場參數計算

坦克排煙紅外輻射屬于氣體輻射，該輻射具有光譜選擇性，其紅外輻射特性強弱主要取決于三原子組成的非對稱分子H2O和CO2的含量。本文利用Fluent軟件對排煙流場的組分參數進行計算。

假設柴油燃燒充分，生成的固體顆粒物較少，紅外輻射計算時忽略固體顆粒散射作用的影響。在某一典型工況下，坦克發動機的轉速為2 000 r/min，利用發動機仿真軟件GT-POWER仿真計算的結果，排煙管入口處氣體的成分為N2、H2O和CO2，這3種成分的質量分數分別為69%、9%和22%，排煙管入口處的溫度Tin=808 K。設定排煙管入口處為壓力入口邊界(壓力設為113 kPa)，外流場出口設置為壓力出口邊界(壓力設為89 kPa)，溫度為298 K，壁面條件設置為絕熱條件。排煙流場計算區域示意圖如圖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數分布的變化曲線如圖2、3所示。由圖2可以看出：隨著與排煙管軸線的縱向距離的增加，排煙氣體的溫度和組分摩爾分數均出現了下降，且呈現對稱的變化趨勢，這與文獻[6]中的結果相同，說明仿真結果可信。

1.2 大氣衰減特性

當紅外輻射在大氣中傳輸時，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，會使紅外輻射有很大的衰減。

煙氣輻射經過大氣的穿透率

γ=exp(-βλL)，

(1)

式中：L為紅外輻射達到探測儀所經過的距離(m)；

βλ=κλ+σsλ，

(2)

為波長為λ的光譜衰減系數，其中кλ為光譜吸收系數，σsλ為光譜散射系數。

大氣穿透率的計算比較復雜，早期大都利用查表法求解水平觀察路徑上的大氣穿透率，但該方法需要對大氣傳輸模型作大量簡化，也未考慮散射的作用，精度較差[6]。因此，基于美國AFRL實驗室開發的LOWTRAN程序[5]計算紅外探測器位于不同高度時，目標達到探測器傳輸路徑上的大氣透過率。選擇天氣條件為華北地區無風、無雨的晴天，探測器和目標相對位置如圖4所示。

3種不同探測條件下大氣穿透率的計算結果如圖5所示。可以看出：

1) 當探測距離為1 km，探測高度為0 km時，在2～5 μm波段大氣穿透率較高，曲線的變化趨勢也與文獻[5]中的紅外波段大氣窗口吻合，說明仿真結果可信；在2.7、4.3 μm附近大氣透過率明顯降低，這是因為在對流層下部H2O和CO2分子較多，在2.7、4.3 μm波段H2O和CO2分子對紅外輻射的吸收作用較強。

2) 當探測距離均為1 km時，與探測器高度為0 km時相比，探測器高度0.5 km時的大氣穿透率明顯較高。出現這種現象的原因為：對流層中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，因此導致紅外輻射在向高空中傳播時受到的衰減作用小于在水平地面上傳播。

3) 當探測高度為0 km(即水平探測)時，探測距離越長，穿透率越低，這也跟CO2和H2O的吸收作用有關。

2 高分辨率氣體紅外輻射計算方法

2.1 基于HITRAN數據庫的高光譜分辨率氣體輻射特性參數計算模型

根據文獻[7]，對于同一氣體，波數η時的光譜吸收系數к(η)等于發生重合的譜線吸收系數之和，即

(3)

式中：κi(η)為第i條譜線在波數η處的吸收系數；N為重合的譜線數；Si為第i條譜線的譜線積分強度；gi(η-η0)為第i條譜線的線形函數，其中η0為第i條譜線中心處的波數。在標準狀態下，譜線積分強度

[1-exp(-hcη0/kT0)]×

(4)

根據HITRAN數據庫給出的標準狀態下大氣中各分子吸收線參數[8]，可以計算出每根譜線的譜線積分強度S0。而排煙流場中輻射氣體分子的溫度和壓強均為非標準狀態，需要基于HITRAN數據庫進行理論外推，其得到的非標準狀態下譜線強度Si的換算公式為

(5)

式中：NL為體積內的分子數；E1為躍遷低態能；

Q(T)=a+bT+dT2+eT3，

(6)

為配分函數，其中a、b、d、e均為系數，可以通過查詢HITRAN數據庫得到。

結合式(5)、(6)可以得出Si。根據文獻[8]提出的計算方法，在氣體的溫度為T、壓強為P時平均吸收系數

(7)

2.2 排煙輻射氣體光譜輻射亮度的計算公式

氣體的吸收率為氣體吸收的能量與投射能量之比。根據貝爾定律[9]，若光譜投射能量為Iλ(0)，氣體中射線的行程長度為l，氣體光譜吸收系數為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)

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

(10)

式中：c1為第一輻射常數；c2為第二輻射常數。

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 算例驗證

為了對所建立的基于HITRAN數據庫的高光譜分辨率氣體輻射特性參數計算模型和高分辨率氣體紅外輻射計算模型的可靠性進行驗證，選用了文獻[10]中的試驗條件進行仿真。

圖6為CO2吸收系數仿真結果和測試結果的對比。可以看出：在2 550～2 555 cm-1波段，仿真結果與測試結果吻合較好，其最大誤差僅為2%，完全滿足工程計算的需要。

圖7為高分辨率氣體紅外輻射仿真結果和測試結果的對比。可以看出：仿真結果與測試結果吻合良好，僅在3～3.5 μm和4～4.5 μm這2個波段有較大的偏差，且計算值普遍大于測試值，這與仿真時只考慮CO2和H2O分子的吸收與散射，未考慮實際燃燒產生的固體顆粒分子的影響有關。

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算模型，對某一典型工況下探測距離為1 km時的坦克排煙光譜輻射亮度進行模擬計算，并利用光譜探測儀器對其進行測試。

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，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：(1)光譜輻射亮度的分布呈現駝峰形狀，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圍的低溫空氣進行了混合，使得溫度出現下降；(2)光譜輻射亮度在2 350 cm-1附近降到最低，這是因為氣體的紅外輻射在傳輸過程中被排煙和周圍氣體中的CO2吸收，而CO2在2 350 cm-1附近的吸收作用最強。

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了下降，且曲線的形狀出現了起伏，這說明大氣輻射的衰減作用對紅外輻射的分布影響較大，在計算時需要著重考慮。

3) 通過對比仿真結果與測試結果可以發現，與C-G近似譜帶模型相比，利用高分辨率氣體紅外輻射計算方法得到的計算結果與測試結果更接近，說明其計算的精度更高。

4 結論

筆者建立了基于HITRAN數據庫的高光譜分辨率氣體輻射特性參數計算模型，然后利用排煙輻射氣體光譜輻射亮度的計算公式通過仿真得到了坦克排煙的紅外輻射特征。該方法能夠準確地得到坦克排煙中主要輻射氣體的輻射特性參數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。