高溫高濕高鹽環(huán)境雷達(dá)典型部件腐蝕分析

馬洪波，陳燕云，時(shí)生淦，李寧霞

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高溫高濕高鹽環(huán)境雷達(dá)典型部件腐蝕分析

馬洪波，陳燕云，時(shí)生淦，李寧霞

（西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710071）

目的研究雷達(dá)典型部件長期工作在高溫、高濕、高鹽霧等環(huán)境下腐蝕情況的影響機(jī)理。方法提出在該環(huán)境下對(duì)雷達(dá)典型部件多場(chǎng)耦合的仿真計(jì)算方法，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件FLUENT為平臺(tái)，建立雷達(dá)典型部件的有限元模型，對(duì)雷達(dá)典型部件進(jìn)行仿真模擬分析。結(jié)果得到了雷達(dá)典型部件的溫度、濕度和鹽度分布云圖和綜合環(huán)境腐蝕云圖，從腐蝕云圖可以看出，部件表面腐蝕程度在0.6 mm以上，腐蝕程度比較嚴(yán)重，仿真結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果較為吻合。從分布云圖可知，單一的溫度或鹽度因素對(duì)部件表面的腐蝕情況影響較小，濕度對(duì)其影響較為顯著。結(jié)論驗(yàn)證了仿真計(jì)算方法的合理性和正確性，為雷達(dá)典型部件的動(dòng)力學(xué)仿真，為其腐蝕現(xiàn)象的進(jìn)一步研究及預(yù)防提供了理論指導(dǎo)。

雷達(dá)；高溫高濕高鹽；流體動(dòng)力學(xué)；腐蝕分析

隨著世界范圍內(nèi)軍事變革的不斷深入，作戰(zhàn)樣式不斷更新，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，裝備發(fā)展日新月異。世界各國特別是一些主要軍事大國特別強(qiáng)調(diào)軍隊(duì)的質(zhì)量建設(shè)，要求在不影響軍隊(duì)實(shí)力的情況下，縮減軍隊(duì)和裝備的規(guī)模[1—3]。這些對(duì)裝備的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求[4]。沿海地區(qū)的氣候具有高溫、高濕、高鹽霧、臺(tái)風(fēng)等顯著特征，而大型雷達(dá)體型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這些氣候特征可能給設(shè)備造成很大影響。海洋環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的侵蝕是非常嚴(yán)重的。嚴(yán)酷的鹽霧環(huán)境，加之溫濕度的綜合作用，常常引起武器裝備上電子設(shè)備三防的失效[5—7]，使印刷電路板上的線路隨之產(chǎn)生腐蝕和剝離，元器件金屬管腳產(chǎn)生腐蝕或斷裂，連接器的接觸電阻增大，導(dǎo)致線路故障或產(chǎn)生各種由環(huán)境因子而引發(fā)的失效。

1992年，美國將“環(huán)境影響”作為一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)。在2005年作為年度技術(shù)目標(biāo)，對(duì)國防電子裝配進(jìn)行了研究、建模和仿真[8—10]。目前，國內(nèi)一些產(chǎn)品研制單位陸續(xù)開始開展基于環(huán)境應(yīng)力的仿真分析和數(shù)學(xué)模擬方法的研究及工程實(shí)踐，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制工作提供了有力的支持[11—12]。文中以某雷達(dá)典型部件為例，運(yùn)用ANSYS FLUENT仿真軟件，對(duì)其在高溫度、高濕度和高鹽霧的條件下進(jìn)行仿真分析，為雷達(dá)天線的進(jìn)一步設(shè)計(jì)及防腐蝕措施提供理論指導(dǎo)。

1 溫度、濕度和鹽度數(shù)值仿真方法

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真軟件ANSYS FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件包含了廣泛的物理模型，能模擬工業(yè)應(yīng)用中的流動(dòng)、傳熱和反應(yīng)，其網(wǎng)格具有完全的靈活性，能相對(duì)容易地對(duì)復(fù)雜幾何生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來求解流動(dòng)問題。

1.1 溫度分布建模及求解方法

溫度分布采用Menter提出的兩方程SST（Shear Stress Transport）模式[13]。SST模式是基于標(biāo)準(zhǔn)的-模式和-模式的混合模式，求解湍流剪切應(yīng)力的輸運(yùn)方程。SST模式求解湍流動(dòng)能和湍流頻率的偏微分方程組為：

(2)

式（3）中的3μ項(xiàng)是基于“凍結(jié)應(yīng)力”假設(shè)得到的，它能保證湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率經(jīng)過激波時(shí)不會(huì)變得太大。

1.2 濕度分布建模及求解方法

濕度場(chǎng)通過求解由空氣和水蒸氣組成的混合物組分輸運(yùn)方程獲得。混合氣體第個(gè)組分的含量記為Y，則其質(zhì)量守恒方程為對(duì)流-擴(kuò)散方程：

式中：R是組分由于化學(xué)反應(yīng)的生成項(xiàng)；是組分由于其他原因所產(chǎn)生的源項(xiàng)；J是組分的擴(kuò)散通量，在湍流中可根據(jù)式（5）計(jì)算：

(5)

式中：t為湍流施密特?cái)?shù)；t為湍流渦粘系數(shù)；t為湍流擴(kuò)散系數(shù)。

1.3 高鹽分布建模及求解方法

鹽度分布的仿真采用求解標(biāo)量輸運(yùn)方程得到：

式中：和S分別為標(biāo)量輸運(yùn)系數(shù)和體積源項(xiàng)。

根據(jù)鹽霧氣溶膠釋放率的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式[14—15]，可以得到穩(wěn)態(tài)情況下鹽霧氣溶膠濃度分布規(guī)律：

(8)

式中：s為鹽霧氣溶膠顆粒的沉降速度；c是鹽霧氣溶膠邊界層厚度；為湍流擴(kuò)散Schmit數(shù)；是Rouse數(shù)。

將式（７）其作為鹽霧氣溶膠濃度分布的入口邊界條件，采用Euler擬流體模型計(jì)算鹽霧氣溶膠濃度分布。

2 雷達(dá)典型部件高溫高濕高鹽環(huán)境仿真分析

2.1 雷達(dá)典型部件模型

雷達(dá)典型部件支撐座是用來支撐天線，并使其在規(guī)定空域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的裝置。它通過天線控制系統(tǒng)使天線按照預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，或者跟隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，并且通過軸位檢測(cè)裝置，精確地測(cè)出目標(biāo)的方位。支撐座的好壞對(duì)天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性非常重要，因此分析支撐座的受腐蝕情況是相當(dāng)必要的。支撐座在實(shí)際工作環(huán)境中的位置及其腐蝕情況如圖1所示。

圖1 支撐座照片

在CFD仿真中，空間劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、壁面附近采用三棱柱形式的邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總量約為200余萬。支撐座表面的網(wǎng)格分布如圖2所示。

圖2 支撐座表面網(wǎng)格

2.2 仿真計(jì)算條件

在高溫高濕高鹽條件下，需要確定的參數(shù)包括日氣溫變化、濕度變化和風(fēng)速變化。對(duì)日氣溫變化采用正弦形式的公式，其中，白天氣溫公式為：

夜晚氣溫公式為：

(11)

式中：T為第個(gè)小時(shí)的氣溫；和分別為一天的最低和最高氣溫；s是日落時(shí)的氣溫；為白天時(shí)長；為夜晚時(shí)長；為最低氣溫到日落的時(shí)長；為日落到最低氣溫的時(shí)長；為最高氣溫的延遲系數(shù)；為夜晚溫度系數(shù)；為從日落到最低氣溫的延遲系數(shù)，其取值分別為1.86，2.20和－0.17。

在一天之中相對(duì)濕度的變化規(guī)律正好與氣溫相反，即最高氣溫時(shí)間對(duì)應(yīng)最低相對(duì)濕度時(shí)間、最低氣溫時(shí)間對(duì)應(yīng)于最高相對(duì)濕度時(shí)間。

風(fēng)速在一天內(nèi)的變化公式為：

式中：U為第個(gè)小時(shí)t的風(fēng)速；min和max分別為一天的最低和最高風(fēng)速；m是平均風(fēng)速；p是最高風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間。

2.3 仿真結(jié)果與分析

支撐座表面的濕度如圖3所示，可以看到，支撐座正對(duì)入口的表面濕度明顯較大。因?yàn)榭諝庵胸S富的水蒸氣遇到支撐座表面后呈集聚態(tài)勢(shì)，在支撐座表面富集，從而導(dǎo)致其正對(duì)入口的表面濕度較大。由圖3中濕度分布情況可以看出，其與支撐座的腐蝕情況較為一致，可見濕度可能是引起支撐座表面腐蝕的主要原因之一。

圖3 濕度云圖

圖4給出支撐座表面的鹽度分布云圖，圖5給出支撐座表面的溫度分布云圖。由于鹽度的大小與空氣中水蒸氣溶解電解質(zhì)的多少和集聚狀態(tài)有關(guān)系。電解質(zhì)隨水蒸氣的集聚附著在支撐座表面，隨水蒸氣的凝聚而滑落，氣溶膠電解質(zhì)隨時(shí)間逐漸沉降富集。因此從圖4中可以看出，電解質(zhì)的積累狀態(tài)在支撐座沿高度方向上隨高度增加逐漸降低。支撐座表面的鹽度分布云圖較好地展示了氣溶膠電解質(zhì)的沉降狀況。從圖5中可以看出，支撐座表面的溫度沒有明顯的區(qū)域性差異，這可能與支撐座表面積相對(duì)較小以及在支撐座金屬材料的屬性有關(guān)。將圖4和圖5與圖1分別進(jìn)行對(duì)比可知，單獨(dú)電解質(zhì)物質(zhì)的存在或單獨(dú)溫度因素可能不是引起支撐座腐蝕的主要原因，說明電解質(zhì)物質(zhì)的存在以及溫度因素可能加速或促進(jìn)腐蝕的發(fā)生。

支撐座表面的腐蝕云圖如圖6所示?？梢钥闯觯巫砻娴母g程度與圖1顯示的實(shí)際腐蝕情況具有較好的一致性，說明較高的溫度、濕度和鹽度綜合作用下極易導(dǎo)致金屬材料表面的腐蝕，同時(shí)這也為金屬材料的防腐蝕提出相應(yīng)的要求。

圖4 鹽度云圖

圖5 溫度云圖

圖6 腐蝕云圖

以上仿真結(jié)果可以看出，雷達(dá)天線支撐座在綜合環(huán)境下的腐蝕情況與實(shí)際情況比較吻合，因此對(duì)雷達(dá)典型裝備在綜合環(huán)境的條件下進(jìn)行仿真分析，具有良好的理論指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

1）文中的溫度分布采用求解SST模式方程得到，濕度分布采用求解由空氣和水蒸氣組成的混合物組分輸運(yùn)方程得到，鹽度分布采用求解標(biāo)量輸運(yùn)方程得到，為雷達(dá)典型部件的腐蝕分析仿真提供理論依據(jù)。

2）雷達(dá)關(guān)鍵部件在模擬高溫、高濕和高鹽綜合環(huán)境下的仿真結(jié)果與實(shí)際環(huán)境中雷達(dá)關(guān)鍵部件所受腐蝕情況的對(duì)比表明，綜合仿真能夠給出與實(shí)際情況定性相符的結(jié)果，對(duì)雷達(dá)部件的防腐蝕措施具有有效的指導(dǎo)意義。

3）通過CFD仿真研究了高溫、高濕和高鹽等環(huán)境因素對(duì)雷達(dá)部件的影響，獲得了雷達(dá)裝備最易受影響的薄弱部位，以及腐蝕發(fā)生所需要具備的環(huán)境條件，從而為裝備的進(jìn)一步改進(jìn)防護(hù)設(shè)計(jì)提供了有力支持，最大限度提高裝備的抗腐蝕特性，對(duì)武器裝備可靠性工程的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Corrosion Analysis of Radar Typical Component in High Temperature High Humidity and High Salinity Environment

MA Hong-bo, CHEN Yan-yun, SHI Sheng-gan, LI Ning-xia

(School of Electromechanical Engineering, Xidian University, Xi'an 710071, China)

Objective To study the influence mechanism of corrosion typical radar component working for a long-term in environment of high temperature, high humidity and high salt fog. Methods A simulation calculation method of radar typical components in the environment was proposed. A finite element model of radar typical components was established with the computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT as platform to conduct simulation analysis. Results The distributions of temperature, humidity and salinity as well as comprehensive environment corrosion of typical radar components were obtained. The corrosion degree of parts surface was above 0.6mm and serious, which was in agreement with the actual radar equipment test result. In addition, from distributions of the simulation, the single temperature or salinity had little influence on surface corrosion of parts, while the humidity had a significant impact on the corrosion. Conclusion It proves the rationality and correctness of the simulation calculation method, and provides a theoretical guidance for further study and prevention of radar equipment corrosion of typical radar parts.

radar; high temperature high humidity and high salinity; fluid dynamics; corrosion analysis

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.019

TJ07；TG172

A

1672-9242(2017)04-0091-05

2017-01-10；

2017-02-21

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014JM8349）

馬洪波（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娮友b備結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。