一種雷達罩通風(fēng)方式的仿真分析及試驗驗證

陳紅超，邵飛，李棟，林芃

中國艦船研究設(shè)計中心，上海201108

0 引 言

考慮到隱身性需要，現(xiàn)代艦船上露天布置的大型雷達需要安裝封閉式雷達罩，而雷達陣面的電子元器件工作時會發(fā)熱，在封閉空間內(nèi)，若散熱不及時，會導(dǎo)致陣面過熱和環(huán)境溫度過高，從而使雷達電子元器件的工作效率下降。對于超出規(guī)定范圍的溫度，每增高10 ℃，雷達工作效率就會下降約2.0%［1］。此外，雷達設(shè)備在罩內(nèi)的空間占比大（約60%），雷達陣面在轉(zhuǎn)動以及發(fā)射雷達波時，不允許發(fā)射陣面前有遮擋，而傳統(tǒng)設(shè)計的通風(fēng)空調(diào)方式易對雷達波發(fā)射產(chǎn)生干擾或遮擋，不僅影響了雷達性能，而且也難以滿足封閉式雷達罩內(nèi)的熱環(huán)境控制要求。

針對雷達罩的工作特性以及罩內(nèi)的熱環(huán)境控制要求，張娟等［2］構(gòu)建了雷達罩的仿真模型，通過計算雷達罩表面的熱分布，將流場計算得到的溫度值插值到對應(yīng)的熱應(yīng)力分析模型中；文獻［3-7］對雷達罩本體結(jié)構(gòu)的壁面厚度、電性能、材料、隱身性等進行了研究，且主要偏重于提高雷達罩本體的功能特性。然而，國內(nèi)目前還缺乏針對雷達罩內(nèi)溫度場及相應(yīng)通風(fēng)空調(diào)方式的研究。

因此，本文將針對封閉式桅桿雷達罩的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計，按照水面艦船桅桿通風(fēng)區(qū)溫度控制的規(guī)范要求，以某試驗用封閉雷達罩為對象，結(jié)合我國水面艦船雷達隱身設(shè)計要求，開展雷達罩內(nèi)環(huán)境溫度控制的仿真及數(shù)值計算，提出一種既能控制雷達罩內(nèi)溫度又不影響雷達工作性能的通風(fēng)空調(diào)方式，并驗證其實際效果。所提通風(fēng)空調(diào)方式，對于提高我國水面艦船的相關(guān)技術(shù)水平具有重要意義。

1 雷達罩通風(fēng)空調(diào)設(shè)計方案

1.1 研究背景

圖1 所示為某試驗用艦船桅桿頂部的雷達罩布置。由圖可見，雷達安裝在基座上，整個雷達和基座被封閉在雷達罩內(nèi)。雷達陣面在罩內(nèi)轉(zhuǎn)動并對外發(fā)射雷達波，為保證雷達能正常工作，參考相關(guān)規(guī)范對水面艦船桅桿通風(fēng)區(qū)的溫度控制要求［8］，雷達罩內(nèi)的溫度被控制在37 ℃。雷達罩總的熱負(fù)荷為6 373 kcal/h，其中傳導(dǎo)熱量為1 643 kcal/h，設(shè)備發(fā)熱量為4 730 kcal/h，雷達罩內(nèi)空調(diào)設(shè)計送風(fēng)溫度為20 ℃（溫差為17 ℃），計算需要的空調(diào)風(fēng)量約1 300 m3/h。如果要控制封閉式雷達罩的溫度，需采取適當(dāng)?shù)乃惋L(fēng)方式，將空調(diào)風(fēng)均勻地送入雷達罩內(nèi)，并及時帶走罩內(nèi)的熱量。但因雷達罩的結(jié)構(gòu)特殊，其類似于球形，風(fēng)管無著力點，使得風(fēng)管沿雷達罩邊壁布置會干擾雷達波的發(fā)射，進而影響雷達的性能。因此，采取何種通風(fēng)方式就成為了封閉式雷達罩內(nèi)環(huán)境控制的核心。

圖1 雷達罩示意圖Fig.1 Schematic diagram of radome

1.2 通風(fēng)空調(diào)設(shè)計

因為設(shè)計風(fēng)管時既不能在雷達陣面周圍布置，也不能沿雷達罩的邊壁布置，所以只能采取自下而上的通風(fēng)方式。而將風(fēng)管圍繞雷達基座一圈布置，雖然能滿足自下而上的送風(fēng)要求，但卻難以保證送風(fēng)的均勻性。結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，設(shè)計出了一種艦船雷達罩的通風(fēng)空調(diào)方式，亦即將空調(diào)風(fēng)管接入雷達基座腔體，在腔體的壁面設(shè)置送風(fēng)口，利用該腔體作為靜壓箱送風(fēng)，由設(shè)置在頂部的排風(fēng)機抽風(fēng)，從而形成穩(wěn)定的自下而上的單向流，并及時帶走雷達陣面的熱量，以達到控制雷達罩內(nèi)溫度的目的。艦船雷達罩通風(fēng)原理如圖2 所示。該空調(diào)通風(fēng)方式結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，氣流組織良好，可以有效控制罩內(nèi)的溫度。

圖2 雷達罩通風(fēng)原理圖Fig.2 Ventilation diagram of radome

2 仿真分析

2.1 物理模型

借助CFD 可以準(zhǔn)確模擬密閉空間內(nèi)的氣流組織。陳紅超等［9］采用仿真和實測方法模擬了新型密閉式桅桿的空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果顯示，仿真與實測平均溫度誤差可控制在2.6%。

本文以某試驗用封閉式雷達罩為模型，開展雷達罩通風(fēng)空調(diào)方式的仿真分析，建立雷達罩通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)1∶1 的物理模型，并對模型進行了如下簡化：

1）雷達模型簡化為兩個發(fā)熱陣面，忽略雷達的支撐結(jié)構(gòu)；

2）忽略空調(diào)風(fēng)送入雷達基座腔體的過程，仿真中等效為空調(diào)風(fēng)從基座送風(fēng)口直接送出；

3）忽略雷達轉(zhuǎn)動對艙室平均溫度的影響，仿真中假設(shè)雷達直接對外發(fā)射；

4）雷達排風(fēng)機等效為封閉式雷達罩頂部的排風(fēng)口。

通過對模型的簡化處理，建立了整個封閉式雷達罩通風(fēng)系統(tǒng)物理模型，如圖3 所示。

圖3 雷達罩空調(diào)通風(fēng)物理模型Fig.3 Physical model of air conditioning and ventilation for radome

2.2 數(shù)值模擬模型

連續(xù)性方程：

式中：x，y，z為三維坐標(biāo)系下的方向坐標(biāo)，m；t為時間，s；u，v，w分別為x，y，z方向的氣流速度矢量，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

動量守恒方程：

式中：U 為速度矢量，m/s；μ為黏性系數(shù)，kg/（m2·s），p 為壓強，Pa；g為重力加速度，m/s2。

能量守恒方程：

式中：cp為比熱容，J/kg·K；T 為溫度，K；k為流體的傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；ST為流體的內(nèi)熱源，即黏性耗散項，kg·K/（m3·s）。

因為封閉式雷達罩內(nèi)雷達陣面工作時產(chǎn)生的熱量非常大，所以本文構(gòu)建的模型模擬的流場屬于強制對流場。而對于封閉空間內(nèi)的對流過程計算，密度場計算是關(guān)鍵。本文對密度的處理采用了Boussinesq 模型，湍流模型則選用了低雷諾數(shù)的k-ε模型，該模型對于近壁面的高熱流量梯度與近壁面函數(shù)一樣都有很好的適應(yīng)性，而且在湍流區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型一樣有很高的精度。封閉式雷達罩空調(diào)通風(fēng)的溫度場的仿真邊界條件為：入口邊界Velocity-inlet，出口邊界Pressure-out，雷達罩外壁面wall。

2.3 計算結(jié)果及分析

基于上述仿真模型計算夏季工況下封閉式雷達罩空調(diào)通風(fēng)的溫度場。其中，仿真條件輸入如下：雷達罩內(nèi)初始溫度為35 ℃，送風(fēng)溫度為20 ℃，送風(fēng)量為1 300 m3/h，雷達罩壁面溫度為50 ℃。

仿真計算封閉式雷達罩的各關(guān)鍵剖面的溫度分布。圖4 所示為各典型剖面位置，包括距離基座底部1 000，3 330，5 500 mm剖面和垂直于雷達的2 個中間剖面，各典型剖面的溫度分布如圖5所示。

觀察各剖面溫度分布的情況。由圖5 可見：各典型剖面的溫度大多約為27 ℃，溫度分布較均勻；靠近雷達陣面（圖5（a）和圖5（e））的局部溫度偏高，約35 ℃，相比其他區(qū)域的溫度，高了約8 ℃。經(jīng)分析可知，這種現(xiàn)象是由雷達陣面熱流密度大所導(dǎo)致。

圖4 雷達罩典型剖面分布圖Fig.4 Typical section distribution of radome

圖5 典型剖面的溫度分布云圖Fig.5 Temperature distribution diagram of typical sections

圖6 典型剖面平均溫度分布圖Fig.6 Average temperature distribution diagram of typical sections

3 雷達罩內(nèi)熱環(huán)境測試

為驗證雷達罩通風(fēng)空調(diào)方式的效果，如圖7所示，在雷達罩垂直壁面安裝了3 個溫度傳感器，分別距桅桿頂部1 000 和3 300 mm（靠近雷達陣面）以及距頂部剖面150 mm 處。這3 個傳感器用于采集不同工況下雷達罩內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)，其現(xiàn)場布置如圖8 所示。

圖7 雷達罩溫度傳感器布置圖Fig.7 Layout of the temperature sensors on the radome

圖8 雷達罩上的溫度傳感器現(xiàn)場布置圖Fig.8 Field layout of the temperature sensors on the radome

為驗證仿真結(jié)果的有效性，依據(jù)雷達罩內(nèi)的溫度傳感器布置的位置，在仿真模型中相同的位置取3 個測點，考慮到實際雷達陣面在轉(zhuǎn)動，若只取3 個測點，得到的溫度可能會有偏差，故在雷達模型的另一側(cè)選取3 個測點，以與原來的3 個測點相對應(yīng)，如圖9 所示。

圖9 雷達罩測點布置圖Fig.9 Layout of test points on the radome

本文取6 個測點的溫度平均值為實測溫度，圖10 所示為雷達罩內(nèi)的仿真和實測溫度隨時間的變化曲線。由圖10 可見，仿真和實測溫度曲線下降的趨勢基本一致，溫差也控制在±0.5 ℃以內(nèi)?？梢?，通過選取2 組對稱測點，可彌補簡化的雷達罩仿真模型中“忽略雷達轉(zhuǎn)動”對艙室平均溫度的影響，驗證了仿真模型的有效性。

考慮到雷達全負(fù)荷發(fā)射時溫度傳感器會對雷達波產(chǎn)生干擾，所以對基座通風(fēng)效果進行了試驗驗證，并只選擇在雷達半負(fù)荷工作時開展。試驗工況如下：首先開啟空調(diào)設(shè)備，直至雷達罩內(nèi)的平均溫度與罩外溫度一致；然后關(guān)閉空調(diào)設(shè)備，雷達處于半負(fù)荷工作狀態(tài)，以使罩內(nèi)溫度穩(wěn)步上升，當(dāng)趨于穩(wěn)定后，再開啟空調(diào)設(shè)備開始制冷。試驗數(shù)據(jù)記錄如下：空調(diào)送風(fēng)溫度5.07 ℃，風(fēng)量1 300 m3/h。圖11 為空調(diào)設(shè)備開啟前的外界環(huán)境溫度分時圖，圖12 為整個試驗過程中雷達罩內(nèi)的溫度分時圖，圖13 為開啟空調(diào)設(shè)備后雷達罩內(nèi)測點的溫度分時圖。

圖11 雷達罩外界環(huán)境溫度隨時間的變化曲線Fig.11 Curve of environmental temperature of radome with respect to time

圖12 雷達罩內(nèi)溫度隨時間的變化曲線Fig.12 Curve of internal temperature in the radome with respect to time

圖13 雷達罩內(nèi)測點溫度隨時間的變化曲線Fig.13 Curve of internal temperature at measuring points in the radome with respect to time

由圖11 和圖12 可見：雷達罩的外界溫度穩(wěn)定在10～15 ℃時，雷達罩內(nèi)的溫度呈緩慢上升趨勢，趨于穩(wěn)定后（17.76 ℃），開啟空調(diào)通風(fēng)設(shè)備，雷達罩內(nèi)的溫度開始迅速下降。

由圖13 可見：雷達罩內(nèi)溫度40 min 內(nèi)下降了3.16 ℃，之后溫度下降的趨勢變緩，雷達罩內(nèi)溫度在12.9 ℃趨于穩(wěn)定。

基于上述試驗數(shù)據(jù)，可以看出雷達基座的通風(fēng)空調(diào)方式可快速降低雷達罩內(nèi)的溫度。例如，在外界環(huán)境溫度與雷達罩內(nèi)的溫度相當(dāng)時，可以不考慮外界的傳熱，雷達罩的溫升可僅考慮設(shè)備發(fā)熱量；若雷達處于半負(fù)荷運行狀態(tài)時，雷達罩內(nèi)送、排風(fēng)溫差為7.83 ℃，此時則可以估算出雷達在滿負(fù)荷運行狀態(tài)時，雷達罩內(nèi)的送、排風(fēng)溫差為15.66 ℃；若外界溫度較高時，外界傳導(dǎo)熱（設(shè)備發(fā)熱量是傳導(dǎo)熱的2.88 倍）帶來的溫差為5.43 ℃，此時計算得到的雷達罩內(nèi)平均溫度約為26.16 ℃（送風(fēng)溫度5.07 ℃+設(shè)備發(fā)熱量引起的溫差15.66 ℃+傳導(dǎo)熱引起的溫差5.43 ℃）。因此，本文設(shè)計的雷達罩基座通風(fēng)方式完全可以滿足溫度控制的要求。此外，在實際運行中（溫度傳感器拆除），雷達滿負(fù)荷發(fā)射雷達波時，雷達均能正常工作，這也驗證了該雷達罩的基座通風(fēng)方式完全符合雷達的使用要求。

4 結(jié) 語

本文針對雷達罩的高發(fā)熱量和環(huán)境控制要求，設(shè)計了一種艦船封閉式雷達罩的通風(fēng)空調(diào)方式，模擬分析了在此方式下雷達罩內(nèi)的溫度場，并通過實測數(shù)據(jù)驗證了通風(fēng)空調(diào)的溫度控制效果。結(jié)果表明，該雷達基座通風(fēng)空調(diào)方式完全可以滿足雷達罩的環(huán)境溫度控制要求，并具有如下優(yōu)點：1）可以形成穩(wěn)定的自下而上的氣流，及時帶走雷達陣面運行所產(chǎn)生的熱量，且溫度分布均勻。2）雷達基座結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，節(jié)省空間。作為一個送風(fēng)靜壓箱，其出風(fēng)口和進風(fēng)口均設(shè)置在基座上，從而實現(xiàn)了雷達罩內(nèi)無風(fēng)管送風(fēng)，避免了雷達轉(zhuǎn)動或者對外發(fā)射造成對雷達波的反射及遮擋。本文所設(shè)計的雷達基座通風(fēng)空調(diào)方式可以應(yīng)用到新型封閉式桅桿雷達罩的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計中，其運行方式安全、可靠，設(shè)計方法有較高的借鑒意義，可為提高現(xiàn)代艦載雷達的隱身設(shè)計提供技術(shù)支撐。