GJB 150A淋雨試驗強化試驗程序 數值模擬和試驗裝置設計研究

王曉森，邵康，陶林，董龍雷

（1.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076；2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462； 3.西安交通大學 航天航空學院，西安 710049）

淋雨試驗是一種人工環(huán)境模擬試驗方法，模擬的是受試設備在自然降雨或滴水條件下，設備防止雨水滲透的能力和遭到淋雨時或淋雨之后的工作效能。淋雨試驗是軍用設備研制過程中非常重要的一項試驗，是設備必然要經受考驗的外界環(huán)境條件之一，常用來完成設備在工作狀態(tài)或貯存狀態(tài)下防水功能的可靠性驗證。

有關淋雨試驗方法的研究和應用至今已有多年歷史，國內外學者圍繞淋雨試驗的方法制定了很多標準和規(guī)范。早在70年代，法國航空標準、美國軍用標準和英國軍用標準均正式規(guī)定了有關人工淋雨、暴雨和防滴水方面的條款。應用較廣的標準有美國軍用標準MIL-STD-810F—MIL-STD-810G，英國軍用標準DEF STAN 00-35，北約標準AECTP-300，以及美國航空無線電技術委員會發(fā)布的適合民用航空環(huán)境試驗系列的標準 RTCA-DO-160—RTCA-DO- 160G[1-5]。隨著人們對環(huán)境技術認識的不斷深入，國際電工委員會先后出版了IEC-68-2-18《電工電子產品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗R 水試驗方法》和IEC 60529—2013《外殼防護等級（國際防護等級代碼）》。20世紀80年代以來，我國也制定了一些與上述國外及國際標準等效的淋雨試驗標準。如其中與美軍標對應的GJB 150.8《軍用設備環(huán)境試驗方法 淋雨試驗》和GJB 150.8A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第8部分 淋雨試驗》，與IEC-60068-2-18對應的GB/T 2423.38—2005《電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗R：水試驗方法和導則》，以及與IEC 60529—2013對應的GB 4208—2017《外殼防護等級（IP代碼）》等[6-9]。除此之外，我國還制定了部分行業(yè)標準，比如GJB 4.13、GJB 1063A、GJB 1027A、GJB 367A、GJB 1060.2、HB 6167.8—2014等[10-15]?；趯藴屎鸵?guī)范的理解，文獻[16]從系統(tǒng)集成的角度提出了中小型淋雨試驗系統(tǒng)的建設方案，該方案能夠指導中小型產品淋雨試驗的具體實施。文獻[17]利用MATLAB對雨滴直徑和降雨強度等主要的淋雨試驗參數進行了模擬研究，研究結果為大面積淋雨試驗系統(tǒng)的建立提供了理論依據。文獻[18]針對室外使用的小尺寸設備，對淋雨試驗參考的GJB 150.8A—2009和 GJB 367A—2001中有關要求進行了對比分析，分析結果對設備研發(fā)人員制定試驗大綱和產品規(guī)范提供了參考。在淋雨試驗的相關工作中，有關淋雨試驗系統(tǒng)研制的相關研究也較多[19-21]。

綜上所述，國內外針對淋雨試驗實施的指導規(guī)范和標準以及相關的研究很多，但針對試驗標準的詳細解讀和大尺寸設備淋雨試驗工程實現方法的研究仍然不足。文中以GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第8部分：淋雨試驗》中的強化試驗程序為例，首先從標準解讀方面介紹了強化試驗程序的基本方法和要求。然后從數值模擬的角度分析了強化試驗程序噴嘴的壓力場和速度場分布規(guī)律，完成了分析結果的總結。最后提出了強化試驗程序試驗裝置設計方案，分析結果對強化試驗程序的實施具有重要的指導作用和參考依據。

1 淋雨試驗的特征及強化試驗程序分析

GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第8部分：淋雨試驗》中規(guī)定裝備進行淋雨試驗的目的如下：防止水滲入裝備的保護罩、殼體和密封墊圈的有效性；裝備暴露于水中時以及暴露之后滿足其性能要求的能力；由于淋雨造成裝備的任何物理破壞；任何除水裝置的有效性；檢查裝備包裝的有效性。其中程序Ⅱ——強化試驗程序主要為彌補不能進行帶風源淋雨試驗的大型戶外設備，當試驗裝置限制不能滿足18 m/s風速情況下，可使用該程序進行等效代替。在GJB 150A中，要求噴嘴壓力為276 kPa，因為當噴嘴壓力為276 kPa時，會產生流動速度大于18 m/s的水滴。為保證強化噴嘴的噴射雨滴尺寸在0.5～4.5 mm，噴嘴的標稱孔徑一般為1.2～2.8 mm，具體尺寸應結合降雨強度來確定，強化試驗程序時間為每面40 min。強化試驗程序典型噴嘴裝置如圖1所示， 強化噴嘴應能產生方形噴涂圖案或其他重疊圖案（對于最大表面覆蓋率），強化噴嘴應每0.56 m2至少布置1個，噴嘴距離產品表面的距離為48 cm。

圖1 強化試驗典型噴嘴裝置 Fig.1 Schematic diagram of typical nozzle device for strengthening test

2 數值模擬

2.1 理論基礎

在進行強化試驗程序時，水流在高壓作用下經過噴嘴加速和流動的過程可以用流場分析的方法來模擬。流場模擬控制方程采用三維可壓黏性N-S方程：

湍流模型選用兩方程k-ε方程：

2.2 數值建模

利用有限元分析的方法開展數值模擬是研究噴嘴內水流在高壓狀態(tài)下流場特性的有效途徑，強化噴嘴的幾何模型如圖2所示。由于GJB 150A對噴嘴的噴口直徑只給出了尺寸范圍，未明確特定尺寸，因此不同孔徑的噴嘴在出口速度和流場分布方面會存在一定的差異。文中選用的噴嘴噴口直徑為2.5 mm，數值模擬也以此為基礎進行。在工作過程中，高壓水從進口進入噴頭，然后從出口噴射，其中進口壓力為276 kPa。在模型簡化過程中，不考慮前端的外場環(huán)境，去除前端外輪廓，僅保留內部結構，并且僅保留出口5 mm外輪廓，以此為基礎向遠處建立2 m長圓柱形遠場，如圖3所示。本次仿真分析主要計算噴嘴在入口水壓為276 kPa下的出口速度及流場分布。

圖2 噴嘴的幾何模型 Fig.2 Geometric model of nozzle

圖3 噴嘴的簡化分析模型 Fig.3 Simplified analysis model of nozzle

針對噴嘴的簡化分析模型進行有限元網格劃分，所采用的軟件為ANSYS ICEM CFD。在網格處理過程中，對噴嘴出口處網格進行加密，對遠端網格進行適當稀疏，以減少網格數量，從而減少計算量。最終生成的噴嘴及遠場網格如圖4所示，網格數目為243萬，為四面體非結構化網格。

圖4 噴嘴及遠場網格 Fig.4 Nozzle and far field grid

2.3 結果分析

計算得到強化噴嘴的穩(wěn)態(tài)流場，首先對壓力場和壓力云圖進行分析，分析結果如圖5所示。從圖5中可以看出，此時入口處最大靜壓為175 kPa，大氣壓強為101 kPa，總壓為276 kPa，滿足GJB 150.8A—2009中規(guī)定的噴嘴入口壓力要求。同時，噴嘴內的壓力變化劇烈，尤其是在靠近出口的后半部分，從距離出口1 cm至出口處總壓迅速從255 kPa降至111.8 kPa，且在出口后極短距離內降至101 kPa。

圖5 噴嘴壓力分析結果 Fig. 5 Analysis results for nozzle pressure: a) nozzle as a whole; b) 1 cm from nozzle outlet; c) export office

圖6為分析得到的速度云圖，可以看出，水流經過噴嘴經歷了激烈的加速過程，經過噴嘴出口后，流速又迅速衰減。圖7為建立的v-x曲線，橫坐標為距離出口的距離，縱坐標為該平面最高速度。可以看出，從距離噴嘴出口0.01～0.4 m，水流速度迅速從251 m/s降至17.8 m/s。到1 m時，降至10.8 m/s，并趨于穩(wěn)定，對遠場影響較小。

圖6 速度云圖 Fig. 6 Velocity nephogram

圖7 v-x曲線 Fig. 7 v-x curve

3 試驗裝置設計

基于對GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環(huán) 境試驗方法第8部分：淋雨試驗》標準的理解以及強化試驗程序中噴嘴的壓力場和流場分析結果，對強化試驗程序試驗裝置進行設計，設計方案如圖8所示。其中，試驗箱內部的頂部、前后面、左右面均安裝強化噴水裝置，強化噴水裝置由閥門、管路、噴嘴等系統(tǒng)組成，可同時進行5個面的強化試驗程序。后面、左右面的噴嘴安裝在不同高度可折疊的噴桿上，以適應0～1.5 m高度的要求。同時在噴桿進水端設置手動球閥，不同高度的噴桿通過手動球閥獨立開關，以滿足不同高度范圍試件的噴淋網陣。頂部的9只強化噴頭安裝在可升降滴雨盤上，滴雨盤高度可在1～4 m范圍內沿固定導柱自由調節(jié)，可適應不同高度試驗件頂部噴淋的要求，也可滿足試驗件進出箱的空間要求。為適應不同試件高度的強化試驗考核要求，可對左右兩側噴桿進行折疊或者關閉不同高度的噴嘴，以達到試驗對噴淋網陣要求。由于受試件高度的限制，前面采用更換不同高度的噴桿來解決對試件噴淋網陣的要求。為使試驗人員更加方便操作，配有多種不同高度規(guī)格噴桿，并采用快速連接方式。最終設計完成的強化試驗程序試驗裝置5個面均有9只噴嘴，每個面的最大噴淋面積均≥2 m2。為得到最大表面覆蓋的重疊噴淋網陣，每個面兩個相鄰噴嘴之間的距離均為0.71 m，可以保證在每小于0.56 m2接受淋雨的表面范圍內至少有1個噴嘴。以選用的噴嘴進行強化試驗時，推薦噴嘴距離產品表面的距離為40 cm，以保證雨滴打在產品表面時的速度為18 m/s，用于替代當試驗裝置限制不能滿足該風速情況下的淋雨試驗考核。

圖8 強化試驗裝置方案 Fig.8 Scheme diagram of strengthening test device

4 結論

文中對GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第8部分：淋雨試驗》中強化試驗程序標準進行了解讀分析，總結了強化試驗程序的基本方法和要求。然后從數值模擬的角度分析了強化試驗程序噴嘴的壓力場和速度場分布規(guī)律，并基于分析結果，完成了強化試驗程序試驗裝置設計，主要結論如下：

1）從壓力云圖可以看出，噴嘴入口處最大壓力為276 kPa，滿足GJB 150A中規(guī)定的噴嘴出口壓力要求。壓力在噴嘴內變化劇烈，尤其是在靠近出口的后半部分，從距離出口1 cm至出口處，靜壓迅速從154 kPa降至10.8 kPa，且在出口后極短距離內降至0。

2）從速度云圖可以看出，水流經過噴嘴經歷了激烈的加速過程，經過噴嘴出口后，流速迅速衰減。從距離噴嘴出口0.01～0.4 m的范圍內，水流速度迅速從251 m/s降至17.8 m/s。

3）文中提出的強化試驗程序試驗裝置設計方案能夠同時滿足5個面的強化試驗，每個面的最大噴淋面積均≥2 m2。以所選噴嘴進行試驗時，推薦噴嘴距離產品表面的距離為40 cm。該方案為大型裝備強化試驗的實施提供了重要參考依據。