基于物理縮比模型試驗的艦船靜電場特性分析

余定峰，耿 攀，徐 林，徐正喜，陳 濤

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205)

基于物理縮比模型試驗的艦船靜電場特性分析

余定峰，耿 攀，徐 林，徐正喜，陳 濤

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205)

基于水下電場試驗系統(tǒng)，測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，考察了艦船靜電場的分布特性，并對不同輔助陽極位置及輸出電流強(qiáng)度情形靜電場特征進(jìn)行對比分析，為基于電場特征控制的艦船隱身設(shè)計提供理論參考。

艦船；物理縮比模型；靜電場

0 引 言

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

近年來，海洋環(huán)境中艦船腐蝕相關(guān)電場特征分析問題，日益成為艦船隱身領(lǐng)域頗為關(guān)心的課題。文獻(xiàn)[2]通過解析方法對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研究了船舶軸頻電場的傳播特征。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的分布狀況。文獻(xiàn)[5]采用COMSOL多物理場仿真軟件分析了艦船水下電勢分布，并基于靜電場隱身目的開展了外加電流陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計工作。文獻(xiàn)[6]采用邊界元方法對安裝了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)船舶的水下靜電場進(jìn)行仿真建模，并分別對平時和戰(zhàn)時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)船舶的靜電場隱身。文獻(xiàn)[7-8]采用空氣-海水-海床3層模型對靜態(tài)電偶極子在海水中產(chǎn)生的標(biāo)量電位及靜態(tài)電場分布特征進(jìn)行了數(shù)值計算和分析，在此基礎(chǔ)上提出了基于點(diǎn)電源的船舶靜電場深度換算方法，可較好地用于船舶靜電場反演及換算。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。文獻(xiàn)[10]研究并給出了艦船電場海上測量方法及傳感器布設(shè)原則。上述電場數(shù)值仿真及試驗相關(guān)的研究成果對艦船水下電場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測量試驗方法，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)靜電場的分布特性，通過對比分析考察了不同輔助陽極位置及輸出電流強(qiáng)度情形下的靜電場特征，為實(shí)現(xiàn)艦船電場隱身設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 艦船靜電場產(chǎn)生原理及分析方法

艦船激發(fā)水下靜電場的原理如圖1所示。該靜電場信號主要來源于兩方面：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導(dǎo)致產(chǎn)生自腐蝕電流；另一方面，為了對艦船進(jìn)行腐蝕防護(hù)，往往采用了犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，會在艦船周圍海水中產(chǎn)生防腐電流。

圖 1 艦船靜電場產(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，其中的直流電流會激發(fā)靜電場信號，并按一定的衰減規(guī)律在艦船周圍水下形成特定的電場分布。

艦船腐蝕相關(guān)靜電場的等效模型如圖2所示，該靜電場問題滿足如下標(biāo)量電勢方程。

圖 2 艦船腐蝕相關(guān)靜電場的物理模型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V滿足：

2）輔助陽極處外加電流源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)船測量試驗成本高、周期長，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，艦船靜電場特征分析主要通過數(shù)值仿真、物理縮比模型試驗2種途徑來實(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特征。但需要說明的是，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數(shù)據(jù)不易獲取等因素，而相比之下，物理縮比模型試驗方法則克服了這些缺點(diǎn)，效果更直觀，數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，對于艦船電場特征分析及隱身技術(shù)研究領(lǐng)域起到愈來愈重要的輔助作用。

2 艦船物理縮比模型靜電場測量

為了掌握艦船靜電場特征，需通過水下電場試驗系統(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)靜電場測量，其原理如圖3所示。

圖 3 艦船物理縮比模型腐蝕相關(guān)靜電場測量原理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測量的具體過程為：在水槽底部適當(dāng)位置布設(shè)三分量銀/氯化銀電場測量傳感器，用于接收水下電場原始信號；在試驗水槽中制備模擬海水，通過調(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臺架上，調(diào)整橫向位置和垂向吃水深度，試驗過程中通過步進(jìn)電機(jī)拖動船模在水中沿縱向緩慢勻速地移動，同時控制船模的槳-軸結(jié)構(gòu)勻速旋轉(zhuǎn)，模擬實(shí)船航行工況；將輔助陽極和參比電極以左右舷對稱方式成對布置在船模表面相應(yīng)位置，通過參比電極接收船體表面水下電勢信號，作為控制指令信號控制恒電位儀，通過輔助陽極實(shí)時輸出保護(hù)電流，使船體處于陰極保護(hù)狀態(tài)；拖動船模的同時，同步進(jìn)行水下電場信號測量分析。

3 艦船物理縮比模型靜電場特性

以某型船物理縮比模型為例，船模長約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對輔助陽極，陽極編號如圖3所示，參比電極布置于2號輔助陽極和3號輔助陽極之間。模擬海水電導(dǎo)率為0.72 S/m，分析不同陽極輸出情形對應(yīng)船模靜電場特征。

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

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

當(dāng)輔助陽極全都不工作時，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，船體為陽極，槳為陰極，靠近尾部槳附近的靜電場形成陰極峰值，靜電場曲線中間的過零點(diǎn)位于陽極的等效中心附近。

僅輔助陽極1工作時，船體和槳都作為陰極，因此，靜電場曲線在縱向距離-150～50 cm這個較寬的區(qū)間范圍均形成陰極峰，過零點(diǎn)位于輔助陽極1所在位置附近。僅輔助陽極2工作時，船體尾部和槳都作為陰極，靜電場曲線在縱向距離-150～-100 cm區(qū)間范圍均形成陰極峰，過零點(diǎn)位于輔助陽極2所在位置附近。

僅輔助陽極3工作時，船體尾部和槳都作為陰極，靜電場曲線在縱向距離-200～-130 cm區(qū)間范圍均形成陰極峰，過零點(diǎn)位于輔助陽極3所在位置附近。但由于此時輔助陽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，船體為陽極，槳為陰極，靜電場曲線在縱向距離-120～-60 cm區(qū)間范圍均形成陰極峰，在輔助陽極所在位置向船體首部方向一定距離處形成靜電場曲線的第2個過零點(diǎn)。

4種情形下船模靜電場強(qiáng)度峰峰值如表1所示。

圖 4 輔助陽極不同工作狀態(tài)對應(yīng)船模水下靜電場分布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，輔助陽極的布放位置對船體下方靜電場強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。輔助陽極全都不工作，船模自腐蝕情形對應(yīng)的靜電場峰峰值并不是最小的，將輔助陽極布置于3號陽極所處位置，并調(diào)節(jié)參比電位至-0.7 V，對應(yīng)的靜電場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%。該特征對基于靜電場特征控制的艦船隱身設(shè)計至關(guān)重要。

4 結(jié) 語

艦船靜電場特性分析方面的現(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)難以通過軟件或理論公式模擬，且船體材料極化曲線試驗數(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方法，首次針對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，得到的靜電場數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際工況，提出的試驗分析方法及得出的結(jié)論對于艦船電場特征預(yù)報及隱身技術(shù)研究具有重要指導(dǎo)意義。對不同輔助陽極位置及輸出電流強(qiáng)度情形靜電場特征進(jìn)行分析，試驗結(jié)果表明，艦船靜電場與輔助陽極布放位置及輸出電流關(guān)系密切，經(jīng)過優(yōu)化的輔助陽極布置可以在較大程度上降低艦船靜電場強(qiáng)度。可以考慮將船體周圍水下電流密度或靜電場強(qiáng)度作為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化算法對陽極數(shù)量及布設(shè)位置進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計，通過物理縮比模型試驗對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)艦船靜電場特征的有效控制。

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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，高級工程師，研究方向為艦船電磁場應(yīng)用及防護(hù) 。