雷達關鍵部件對西北地區典型環境適應性的綜合仿真研究

李 靜，馬志宏，胡銳鋒，李寧霞

（1.空軍裝備研究院雷達所，北京 100085； 2.西安電子科技大學，西安 710071）

雷達關鍵部件對西北地區典型環境適應性的綜合仿真研究

李 靜1，馬志宏1，胡銳鋒2，李寧霞2

（1.空軍裝備研究院雷達所，北京 100085； 2.西安電子科技大學，西安 710071）

長期工作在西北地區大溫差、多風砂和強紫外線等惡劣復雜環境下的雷達裝備表面極易出現表面磨蝕或損壞。建立了雷達對西北地區綜合環境適應性的仿真分析方法，以計算流體動力學（CFD）軟件FLUENT為平臺，對雷達典型部件在大溫差、多風砂和強紫外線環境中的表面狀態進行仿真模擬。仿真結果與雷達裝備實際情況較為吻合，為進一步深入研究相關物理機理以及設計防護措施提供了理論依據。

雷達；環境適應性；CFD仿真；西北地區

引言

隨著電子裝備在國防、軍工以及各個民用領域的廣泛應用，雷達等電子裝備也廣泛用于野外、高山以及海上等環境條件惡劣的領域，這些地方多變的氣候條件對電子裝備的性能和可靠性等提出了較高的要求。環境嚴重影響武器裝備作戰效能的例子比比皆是，十分深刻。據國家1995年統計，全國僅環境腐蝕造成的損失一年就達1 500億人民幣（其中海洋腐蝕損失占1/3），占國民生產總值的2 %，大于各種自然災害的總和[1]。由此可見，降低環境影響，提高裝備環境適應性，保證其質量，是一項十分迫切而又艱巨的戰略任務。國內外關于裝備的環境適應性試驗進行了大量研究，制定了一系列環境試驗標準。

由于現有武器裝備環境適應性研究在仿真方面的不足，本文以某雷達典型部件為例，運用CFD仿真軟件，對其在大溫差、多風砂和強紫外線環境中的表面狀態進行仿真模擬，為雷達的進一步改進防護設計提供支持。

1 雷達裝備西北典型工作環境特征分析

太陽輻射強烈是西北地區的典型特征[2]。當太陽輻射與溫度、濕度等氣候因素組合時，其破壞作用更為明顯。據統計，全部的高分子材料約有四分之一是在戶外使用時損壞的。常見的損壞包括變形、變色、失去光澤、粉化、開裂等，同時其內在的機械性能和電氣性能也會隨之降低，從而使材料的使用價值降低，甚至報廢。

砂塵危害嚴重是西北地區又一典型特征。砂塵對雷達裝備產生影響的主要有濃度、顆粒大小、砂和塵的形狀、硬度等，主要表現在強風攜帶的砂塵，可以沖蝕材料、漆膜的表面，也可以穿透縫隙、裂紋、軸承密封處及各種儀器儀表的結合部位，造成產品損壞、失靈、接觸不良或活動部位卡死，也可使絕緣層或絕緣體表面變得粗糙，損壞其電性能。

2 CFD數值仿真方法

本文采用計算流體動力學（CFD）仿真軟件ANSYS FLUENT進行數值模擬。該軟件具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的前后處理功能，采用二階離散格式和多重網格加速收斂技術，能達到最佳的收斂速度和求解精度。

通過有限體積法求解雷諾平均（RANS）方程，湍流模型采用SST k-w兩方程模型。

太陽輻射模型采用DO模型，DO輻射模型能夠求解所有光學深度區間的輻射問題，其輻射輸運方程可寫為：

其中，I（r，S）是位置r和S方向處的總輻射強度，n是折射因子，Φ是相變函數，a是吸收系數，σS散射系數，σ波爾茲曼常數（5.669×10-8W/m2-K），T當地氣溫，Φ相函數，Ω固角。

3 沙塵運動仿真方法

沙塵按照顆粒直徑可以劃分為沙粒和粉塵[3]。沙粒顆粒直徑較大，而粉塵顆粒直徑較小，一般認為兩者臨界尺寸為50 μ m。沙塵主要有懸移和躍移兩種運動模式。粉塵能夠較長時間懸浮在空中，稱為懸移。沙粒在風場作用下從地表起跳至一定高度，在重力作用下以彈道形式落到地面，稱為躍移。沙漠中的沙粒粒徑一般滿足正態-對數分布[4]，因此在仿真分析中采用正態-對數分布將粒徑分布離散化，分別計算其軌跡和濃度分布。

3.1 砂粒躍移仿真

采用Fluent軟件的DPM模型（Discrete Particle Model）模擬沙粒的躍移運動。

首先計算地表沙粒躍移的垂向通量，

其中：Q是水平單寬輸沙率，由文獻[5]中給出的半經驗公式計算，L是沙粒平均躍移長度，采用文獻[6]給出的公式計算得出。

地表沙粒起跳進入風場的邊界條件，采用概率統計模型給定的沙粒起跳速度和角度。其起跳速度通過下式計算：

起跳角度約為45°，u*是摩阻風速。數值仿真中通過給定地表處砂粒躍移通量Φ和起跳速度作為DPM模型的地表邊界條件。

采用Fluent的DPM模型計算離散相顆粒運動，可用壁面侵蝕率表征表面磨損程度。壁面侵蝕率的計算公式為：

式中，Rerosion是壁面侵蝕率， m˙p是入射顆粒的質量流量，f是沖擊角度的函數，v是顆粒相對速度， Af是顆粒在壁面上的投影面積。本文中采用文獻[7]等給出的模型定義參數1。其中，B是材料的Brinell硬度（鋁合金Brinell硬度為95），Fs是顆粒形狀因子，對于圓球形顆粒 Fs=0.2。

3.2 粉塵懸移仿真

粉塵懸移運動采用Euler擬流體模型計算其濃度分布。根據文獻[8][9]地表粉塵釋放率的經驗或半經驗公式，得到穩態情況下粉塵濃度分布律[10]：

其中，

ψ≈0.5772156649015為Euler-Mascheroni常數，γ是Rouse數，Sc是湍流擴散Schmit數，C0是地表 z0處的粉塵濃度（ z0是地表等效粗糙度）。數值仿真中將式（5）其作為粉塵濃度分布的入口邊界條件。

4 雷達部件綜合環境仿真

4.1 雷達部件模型

雷達典型部件—支架及其實際磨損情況如圖1所示。

在CFD仿真中空間劃分四面體非結構網格、壁面附近采用三棱柱形式的邊界層網格，網格單元總量約為342萬。圖2給出支架表面的網格分布。

4.2 仿真計算條件

綜合環境條件參數包括日氣溫變化、濕度變化和風速變化。采用正弦形式的日氣溫變化公式，其中，白天氣 溫公式為

夜晚氣溫公式為

Ti是第i個小時的氣 溫，Tmin和Tmax是一天的最低和最高氣溫，Ts是日落時的氣溫，Y是白天時長，Z是夜晚時長， m是最低氣溫到日落的時長，n是日落到最低氣溫的時長，a是最高氣溫的延遲系數，b是夜晚溫度系數，c是從日落到最低氣溫的延遲系數，其取值分別為1 .86，2.20和-0.17。

輸入參數包括最低和最高氣溫（Tmin和Tmax）以及儒略日期（Julian date，在一年365天之中的日期編號）。其他參數可根據輸入參數以及位置所在緯度確定。下面給出計算Y和Z的公式：

其中，Nd是儒略日期，φ是緯度。

相對濕度在一天內的變化規律正好與氣溫相反，即最高氣溫時間對應最低相對濕度時間、最低氣溫時間對應于最高相對濕度時間。

風速在一天內的變化公式為：

其中，Ui是第i個小時ti的風速，Um是平均風速，Umin和Umax是一天的最低和最高風速，tp是最高風速出現的時間。

4.3 仿真結果與分析

圖3給出支架受砂粒的沖蝕云圖。從圖中可以看到，砂粒對支架幾乎沒有 沖蝕作用，原因是仿真的支架部件離地面高度約為5 m，砂粒的躍移高度很難到達支架所在的位置，與實際情況吻合。

圖1 支架照片

圖2 支架表面網格

圖3 沖蝕云圖

圖4 粉塵作用切應力云圖

圖5 粉塵作用正應力云圖

圖6 太陽輻射輻射強度云圖

圖4給出支架表面受粉塵沖蝕作用所導致的切應力云圖，圖5給出支架表面受粉塵沖蝕所導致的正應力分布云圖。由于粉塵直徑較小，在仿真中將其作為擬流體進行仿真模擬。從圖中可以看出，切應力較強的區域在支架四周邊緣處，正應力較強的區域為支架中間面積較大處。正應力較強的區域與圖1顯示的受損區域具有較好的一致性，這說明粉塵正面沖擊作用是支架表面發生剝蝕損傷的可能原因之一。

圖6顯示的是支架表面所受太陽輻射強度分布。從中可以看到，支架受太陽輻射較強的區域與圖1顯示的受損區域具有較好的一致性，說明太陽輻射所導致的材料老化是支架表面材料發生剝蝕損傷的可能原因之一。

5 結論

1）通過CFD仿真研究了西北地區大溫差、強太陽輻 射以及沙塵流場等綜合環境因素對雷達部件的影響，獲得了雷達裝備最易受影響的薄弱部位，從而為裝備的進一步改進防護設計提供了有力支持，能夠最大限度提高裝備的抗侵蝕特性，對武器裝備可靠性工程的發展具有重要的現實意義；

2）雷達關鍵部件在西北地區典型綜合環境下的仿真結果與實際環境中雷達關鍵部件受損情況的對比表明，綜合仿真能夠給出與實際情況定性相符的結果；

3）西北綜合環境中太陽輻射所引起的局部溫度升高、材料性能變化以及砂塵正面沖擊所導致的磨損可能是西北地區雷達天線表面材料剝落受損的主要原因之一，但更詳細的物理機理是進一步研究需要解決的問題。

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Integrated Simulation of Radar’s Key Components to Typical Environment Adaptability in Northwest China

LI Jing1, MA Zhi-hong1, HU Rui-feng2, LI Ning-xia2
(1.Radar Institute of Equipment Academy of the Air Force, Beijing 100085; 2.Xidian University, Xi’an 710071)

Radar equipment are prone to surface abrasion or damage for a long-term working in the bad complex northwest region of in the large temperature difference and multi wind sand and strong ultraviolet.In this paper, a simulation analysis method of radar to the comprehensive environmental adaptability of the northwest area is established.Based on the computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT, the simulation of the surface state of radar typical components in the large temperature difference, multi wind sand and strong ultraviolet environment is simulated.The simulation results are consistent with the actual situation of radar equipment, which provides a theoretical basis for further study of the physical mechanism and design of protective measures.

Radar; Environmental adaptability; CFD simulation; Northwest Region

TB115 TJ07

A

1004-7204（2016）05-0050-04

李靜（1977-）,女，遼寧沈陽人，高工，項目工程管理專業。裝備環境可靠性研究。