基于物理縮比模型試驗(yàn)的艦船靜電場(chǎng)特性分析

余定峰，耿 攀，徐 林，徐正喜，陳 濤

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205)

基于物理縮比模型試驗(yàn)的艦船靜電場(chǎng)特性分析

余定峰，耿 攀，徐 林，徐正喜，陳 濤

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205)

基于水下電場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量和分析了模擬海水環(huán)境中艦船物理縮比模型的腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)，考察了艦船靜電場(chǎng)的分布特性，并對(duì)不同輔助陽(yáng)極位置及輸出電流強(qiáng)度情形靜電場(chǎng)特征進(jìn)行對(duì)比分析，為基于電場(chǎng)特征控制的艦船隱身設(shè)計(jì)提供理論參考。

艦船；物理縮比模型；靜電場(chǎng)

0 引 言

艦船長(zhǎng)期浸泡于海水中，其自腐蝕作用及腐蝕防護(hù)措施均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生靜電場(chǎng)。艦船靜電場(chǎng)量級(jí)較大，通過(guò)特征明顯，易被作為水雷等武器的觸發(fā)信號(hào)[1]，因而受到研究人員的廣泛關(guān)注。

近年來(lái)，海洋環(huán)境中艦船腐蝕相關(guān)電場(chǎng)特征分析問(wèn)題，日益成為艦船隱身領(lǐng)域頗為關(guān)心的課題。文獻(xiàn)[2]通過(guò)解析方法對(duì)艦船及其物理縮比模型的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的水下電勢(shì)特征的相似性進(jìn)行理論分析。文獻(xiàn)[3]基于物理縮比模型試驗(yàn)研究了船舶軸頻電場(chǎng)的傳播特征。文獻(xiàn)[4]基于有限元模型分析了艦船在周圍海水中形成的靜電場(chǎng)的分布狀況。文獻(xiàn)[5]采用COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件分析了艦船水下電勢(shì)分布，并基于靜電場(chǎng)隱身目的開(kāi)展了外加電流陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。文獻(xiàn)[6]采用邊界元方法對(duì)安裝了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)船舶的水下靜電場(chǎng)進(jìn)行仿真建模，并分別對(duì)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)2種情況下船舶外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的電流輸出進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)船舶的靜電場(chǎng)隱身。文獻(xiàn)[7-8]采用空氣-海水-海床3層模型對(duì)靜態(tài)電偶極子在海水中產(chǎn)生的標(biāo)量電位及靜態(tài)電場(chǎng)分布特征進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，在此基礎(chǔ)上提出了基于點(diǎn)電源的船舶靜電場(chǎng)深度換算方法，可較好地用于船舶靜電場(chǎng)反演及換算。文獻(xiàn)[9]采用直流水平電偶極子理論研究并分析了海水中艦船在界面處產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。文獻(xiàn)[10]研究并給出了艦船電場(chǎng)海上測(cè)量方法及傳感器布設(shè)原則。上述電場(chǎng)數(shù)值仿真及試驗(yàn)相關(guān)的研究成果對(duì)艦船水下電場(chǎng)分布特性分析具有重要的參考意義。

本文基于船模水下電場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)方法，研究了模擬海水環(huán)境中艦船物理縮比模型的腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)的分布特性，通過(guò)對(duì)比分析考察了不同輔助陽(yáng)極位置及輸出電流強(qiáng)度情形下的靜電場(chǎng)特征，為實(shí)現(xiàn)艦船電場(chǎng)隱身設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 艦船靜電場(chǎng)產(chǎn)生原理及分析方法

艦船激發(fā)水下靜電場(chǎng)的原理如圖1所示。該靜電場(chǎng)信號(hào)主要來(lái)源于兩方面：一方面，由于船體、螺旋槳等主要組成部件由不同的材料建造而成，其自腐蝕電位的不同會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生自腐蝕電流；另一方面，為了對(duì)艦船進(jìn)行腐蝕防護(hù)，往往采用了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，會(huì)在艦船周圍海水中產(chǎn)生防腐電流。

圖 1 艦船靜電場(chǎng)產(chǎn)生原理Fig. 1 Principle of static electric field produced by ship

該腐蝕/防腐電流經(jīng)海水-螺旋槳-軸回到船體，形成電流回路，其中的直流電流會(huì)激發(fā)靜電場(chǎng)信號(hào)，并按一定的衰減規(guī)律在艦船周圍水下形成特定的電場(chǎng)分布。

艦船腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)的等效模型如圖2所示，該靜電場(chǎng)問(wèn)題滿足如下標(biāo)量電勢(shì)方程。

圖 2 艦船腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)的物理模型Fig. 2 Equivalent model of ship’s corrosion related static electric field

且滿足如下邊界條件：

1）海水與空氣邊界處，電勢(shì)V滿足：

2）輔助陽(yáng)極處外加電流源I，其表面電流密度J滿足：

3）船體與海水介質(zhì)接觸表面上，電勢(shì)滿足混合邊界條件：

其中：σ為海水電導(dǎo)率；系數(shù)α和β對(duì)應(yīng)船體材料在海水電解液中的電化學(xué)極化特性。

一般而言，由于海上實(shí)船測(cè)量試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，且易受環(huán)境條件限制，難以獲取較為完備的數(shù)據(jù)，因此，艦船靜電場(chǎng)特征分析主要通過(guò)數(shù)值仿真、物理縮比模型試驗(yàn)2種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

有限元/邊界元、電偶極子等數(shù)值仿真方法，較好地模擬了海水電解液、組成船體的不同金屬表面極化特性以及陰極保護(hù)環(huán)境，在一定程度上可以有效獲取艦船靜電場(chǎng)特征。但需要說(shuō)明的是，數(shù)值仿真方法受限于船體內(nèi)部槳-軸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以模擬，以及船體材料極化曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)不易獲取等因素，而相比之下，物理縮比模型試驗(yàn)方法則克服了這些缺點(diǎn)，效果更直觀，數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，對(duì)于艦船電場(chǎng)特征分析及隱身技術(shù)研究領(lǐng)域起到愈來(lái)愈重要的輔助作用。

2 艦船物理縮比模型靜電場(chǎng)測(cè)量

為了掌握艦船靜電場(chǎng)特征，需通過(guò)水下電場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行模擬海水環(huán)境中艦船物理縮比模型的腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)測(cè)量，其原理如圖3所示。

圖 3 艦船物理縮比模型腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)測(cè)量原理Fig. 3 Measure principle of corrosion related static electric field produced by ship’s physical scale model

艦船物理縮比模型靜電場(chǎng)測(cè)量的具體過(guò)程為：在水槽底部適當(dāng)位置布設(shè)三分量銀/氯化銀電場(chǎng)測(cè)量傳感器，用于接收水下電場(chǎng)原始信號(hào)；在試驗(yàn)水槽中制備模擬海水，通過(guò)調(diào)整含鹽度實(shí)現(xiàn)所需的海水電導(dǎo)率；將船模固定安裝于拖動(dòng)臺(tái)架上，調(diào)整橫向位置和垂向吃水深度，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)船模在水中沿縱向緩慢勻速地移動(dòng)，同時(shí)控制船模的槳-軸結(jié)構(gòu)勻速旋轉(zhuǎn)，模擬實(shí)船航行工況；將輔助陽(yáng)極和參比電極以左右舷對(duì)稱方式成對(duì)布置在船模表面相應(yīng)位置，通過(guò)參比電極接收船體表面水下電勢(shì)信號(hào)，作為控制指令信號(hào)控制恒電位儀，通過(guò)輔助陽(yáng)極實(shí)時(shí)輸出保護(hù)電流，使船體處于陰極保護(hù)狀態(tài)；拖動(dòng)船模的同時(shí)，同步進(jìn)行水下電場(chǎng)信號(hào)測(cè)量分析。

3 艦船物理縮比模型靜電場(chǎng)特性

以某型船物理縮比模型為例，船模長(zhǎng)約3 m，在水下0.2 m勻速直航，在船首部、中部偏后、尾部表面水線下分別布置3對(duì)輔助陽(yáng)極，陽(yáng)極編號(hào)如圖3所示，參比電極布置于2號(hào)輔助陽(yáng)極和3號(hào)輔助陽(yáng)極之間。模擬海水電導(dǎo)率為0.72 S/m，分析不同陽(yáng)極輸出情形對(duì)應(yīng)船模靜電場(chǎng)特征。

考察輔助陽(yáng)極全關(guān)（自腐蝕）、僅輔助陽(yáng)極1工作、僅輔助陽(yáng)極2工作、僅輔助陽(yáng)極3工作4種情形，對(duì)應(yīng)的船模正下方0.5 m、縱向距離-2.5～2.5 m處的水下靜電場(chǎng)各分量的通過(guò)特性曲線如圖4所示。

分析結(jié)果可知，輔助陽(yáng)極位置對(duì)船模下方靜電場(chǎng)分布特征產(chǎn)生較大影響。船模水下靜電場(chǎng)x分量峰值強(qiáng)度最大，z分量次之，y分量幅度接近0，這是由于測(cè)量線對(duì)應(yīng)船?？v向中軸線正下方，對(duì)稱布置于左右兩舷的輔助陽(yáng)極輸出電流在測(cè)量線上產(chǎn)生的靜電場(chǎng)y分量相互抵消導(dǎo)致的。

當(dāng)輔助陽(yáng)極全都不工作時(shí)，船模處于自腐蝕狀態(tài)，鋼制船體與銅質(zhì)螺旋槳形成電解偶，船體為陽(yáng)極，槳為陰極，靠近尾部槳附近的靜電場(chǎng)形成陰極峰值，靜電場(chǎng)曲線中間的過(guò)零點(diǎn)位于陽(yáng)極的等效中心附近。

僅輔助陽(yáng)極1工作時(shí)，船體和槳都作為陰極，因此，靜電場(chǎng)曲線在縱向距離-150～50 cm這個(gè)較寬的區(qū)間范圍均形成陰極峰，過(guò)零點(diǎn)位于輔助陽(yáng)極1所在位置附近。僅輔助陽(yáng)極2工作時(shí)，船體尾部和槳都作為陰極，靜電場(chǎng)曲線在縱向距離-150～-100 cm區(qū)間范圍均形成陰極峰，過(guò)零點(diǎn)位于輔助陽(yáng)極2所在位置附近。

僅輔助陽(yáng)極3工作時(shí)，船體尾部和槳都作為陰極，靜電場(chǎng)曲線在縱向距離-200～-130 cm區(qū)間范圍均形成陰極峰，過(guò)零點(diǎn)位于輔助陽(yáng)極3所在位置附近。但由于此時(shí)輔助陽(yáng)極位置與槳非常接近，且參比電位未達(dá)到金屬保護(hù)電位，因此船體發(fā)生一定程度的腐蝕，船體與銅質(zhì)螺旋槳形成自腐蝕電解偶，船體為陽(yáng)極，槳為陰極，靜電場(chǎng)曲線在縱向距離-120～-60 cm區(qū)間范圍均形成陰極峰，在輔助陽(yáng)極所在位置向船體首部方向一定距離處形成靜電場(chǎng)曲線的第2個(gè)過(guò)零點(diǎn)。

4種情形下船模靜電場(chǎng)強(qiáng)度峰峰值如表1所示。

圖 4 輔助陽(yáng)極不同工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)船模水下靜電場(chǎng)分布Fig. 4 Distribution of static electric field produced by ship’s physical scale model, with different work state of anodes

表 1 船模正下方靜電場(chǎng)峰峰值（單位 mV/m）Tab. 1 Underwater static electric field peak-peak values of ship’s scale model

根據(jù)表1可以看出，輔助陽(yáng)極的布放位置對(duì)船體下方靜電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。輔助陽(yáng)極全都不工作，船模自腐蝕情形對(duì)應(yīng)的靜電場(chǎng)峰峰值并不是最小的，將輔助陽(yáng)極布置于3號(hào)陽(yáng)極所處位置，并調(diào)節(jié)參比電位至-0.7 V，對(duì)應(yīng)的靜電場(chǎng)x分量強(qiáng)度峰峰值以及z分量強(qiáng)度峰峰值分別比自腐蝕情形減小了43.2%和44.6%。該特征對(duì)基于靜電場(chǎng)特征控制的艦船隱身設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

4 結(jié) 語(yǔ)

艦船靜電場(chǎng)特性分析方面的現(xiàn)有研究，大都是基于有限元、邊界元、電偶極子等數(shù)學(xué)模型仿真手段，在一定程度上模擬了海水電解液、組成船體的不同金屬表面極化特性以及陰極保護(hù)環(huán)境。但由于船體內(nèi)部槳-軸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以通過(guò)軟件或理論公式模擬，且船體材料極化曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)不易獲取，因而具有一定的局限性。本文基于物理縮比模型試驗(yàn)方法，首次針對(duì)艦船的大尺寸縮比模型，直接模擬真實(shí)的陰極保護(hù)環(huán)境和艦船內(nèi)部構(gòu)造，得到的靜電場(chǎng)數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際工況，提出的試驗(yàn)分析方法及得出的結(jié)論對(duì)于艦船電場(chǎng)特征預(yù)報(bào)及隱身技術(shù)研究具有重要指導(dǎo)意義。對(duì)不同輔助陽(yáng)極位置及輸出電流強(qiáng)度情形靜電場(chǎng)特征進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，艦船靜電場(chǎng)與輔助陽(yáng)極布放位置及輸出電流關(guān)系密切，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的輔助陽(yáng)極布置可以在較大程度上降低艦船靜電場(chǎng)強(qiáng)度?？梢钥紤]將船體周圍水下電流密度或靜電場(chǎng)強(qiáng)度作為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化算法對(duì)陽(yáng)極數(shù)量及布設(shè)位置進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)物理縮比模型試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)艦船靜電場(chǎng)特征的有效控制。

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Analysis on static electric field of ship based on experimentation with physical scale model

YU Ding-feng, GENG Pan, XU Lin, XU Zheng-xi, CHEN Tao
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

Based on the experimentation system of underwater electric fieldthe corrosion related static electric field produced by ship’s physical scale model in the context of simulated seawater, is measured and analyzed, to investigate the distribution of ship's static electric field. Several instances are discussed, with different position arrangement or output electric current of anodes. It may provide theoretical reference for the naval ship's stealth design based on the control of electric field characteristic.

naval ship；physical scale model；static electric field

TM153

A

1672-7649(2017)11-0123-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.023

2017-01-09

余定峰(1986-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕灤姶艌?chǎng)應(yīng)用及防護(hù) 。