船舶水下電場數值模擬

譚 浩， 蔣治國， 陳 聰

(海軍工程大學 理學院，武漢 430033)

船舶水下電場數值模擬

譚 浩， 蔣治國， 陳 聰

(海軍工程大學 理學院，武漢 430033)

為使教學中的可視化程度進一步加強，采用邊界元分析軟件BEASY對船舶在海水中由腐蝕產生的水下電場進行數值模擬分析，計算了船體在自然腐蝕和外加電流保護下兩種狀態下的船身電位分布和船體下方的電場分布。結果表明，對陰極保護系統的輸出電流進行調控，能夠對船身的腐蝕狀況和水下電場信號的強度和分布產生影響，在合理設置的情況下能夠抑制船身的腐蝕并減小水下的信號特征，采用beasy對船舶水下電場進行數值模擬能夠使參數的調節更加直觀，使得計算結果能夠即時地跟隨參數的變化而變化，有助于增強學生對船舶水下電場的認識和理論水平。

水下電場； 邊界元法； 腐蝕電位； 陰極保護； 數值模擬

0 引 言

船身不同金屬結構之間因電化學反應產生的腐蝕電流會經海水從船殼流向螺旋槳并通過各種軸承、密封和機械線路從螺旋槳返回到船殼形成回路，因此，無論船舶靜止或是運動，其周圍海水中都存在電場[1]。長期以來，人們在判斷船體防腐系統對水下電場的影響，主要依靠試驗和工程師的經驗，這必然會消耗大量的人力物力。由腐蝕造成的艦船耐用性減弱，不僅會使艦船的使用壽命縮短、對國家造成巨大的經濟損失，在軍事上，也會直接影響到艦船的水下電磁信號，影響其目標特性。

“艦船物理場”是一門研究艦船的各種物理場以及相應海洋環境背景場的規律的學科[1]，是為了滿足海軍武器裝備發展的需要逐步形成和發展起來的，是海軍應用物理相關學科、尤其是水中兵器相關專業的基礎課程學習轉入專業課程學習過程中的一門關鍵性課程，對實現專業人才培養目標具有重要作用。

在船舶水下電場方面，一直以來，我國的學者大多利用電性源模擬體(電偶極子、電流元和電流線的組合)在空氣-海水兩層模型和空氣-海水-海床3層模型下的電場分布模擬船舶水下電場分布[2-6]，所涉及到的參數往往只有環境與船體的位置關系、海水電導率、海床電導率、海水-海床的相對位置等，對船體本身的各項細節參數的體現往往不那么直觀，如船舶陰極保護系統所包含陽極的種類(犧牲陽極或輔助陽極)、數量、布置原則、陰/陽極材料的極化曲線、船體涂層破損率、海水電導率以及船舶濕表面積等等，只能依靠電性源模擬體的排列組合來實現，且往往需要通過實測數據進行反演對模型進行修正，過程復雜，使得整個建模和實驗過程在課堂演示中難以完成，對學生學習效果產生了一定的影響。

為了使學生更加科學、透徹、直觀地掌握船舶水下腐蝕相關電場的特征[7-11]，本文對特定船型的水下電場進行數值模擬分析，通過改變船體模型的各參數，實時計算船體表面電位分布、一定水深處空間中的電場和電位分布，體現BEASY邊界元仿真模擬在教學中的較之傳統方法的優越性。

1 BEASY對海洋環境及船體的模擬

通常情況下，船體是由低合金鋼或鋁合金制造，螺旋槳推進器則是由銅合金制造，如鎳鋁-青銅或錳青銅；在海水環境中，船體與螺旋槳之間會形成電偶效應，作為船體的低合金鋼或鋁合金是電偶對的陽極，將會發生腐蝕，而銅質螺旋槳作為電偶對的陰極，將受到保護，同時在電偶電路中產生了電流。因此，在模型的建立中，設置船殼材料為鋼，涂有防腐涂層(涂層覆蓋程度85%)，螺旋槳材料為銅-鎳合金，陽極材料為鋅。對于材料而言，電位和電流密度之間存在的關系可以用極化曲線來描述，模型中涉及到的材料的極化曲線如圖1所示。

圖1 船體3種材料的極化曲線

船體水下部分、場點及邊界的模型如圖2所示，具體參數如表1所示。其中邊界為邊長約為20倍船長的立方體，整個系統可以視為半無限大區域。船體模型只關系到水下部分(空氣中的部分無腐蝕)，且其螺旋槳位于頂端中心位置。邊界內為海水，電導率為4 S/m。場點為間隔4 m共400點且中心位于船體螺旋槳正下方的平面。

圖2 船體、邊界以及測量點的設置

表1 船體及場點模型參數 m

場點深場點邊長邊界邊長502002000

船身的大部分單元為四邊形，在船首船尾處有少量單元為三角形[12-14]。每個單元包含一定數量的節點和網點：網點決定單元的位置與形狀，節點為該點所計算的值。本模型中四邊形的單元有9個網點，形成一個3×3的矩陣，1個節點；三角形單元有6個網點[15]，如圖3所示。節點越多，得到的計算結果越精密，但是計算量也越大。

圖3 各單元的結構

設定船殼某區域的防腐涂層脫落、螺旋槳沒有防腐涂層，即防腐涂層脫落區域的裸鋼和兩個螺旋槳暴露在海水中，如圖4所示。

圖4 船殼無涂層區域

在ICCP系統中設置4個輔助陽極，如圖5所示。位于船體中部的兩陽極面積約為1.1 m2；位于螺旋槳附近的兩陽極所在單元的面積約為3 m2。為防止陽極周圍船體鋼板上電流密度過大形成過保護，而在離陽極較遠處電流密度較小，形成欠保護，須在陽極周圍設置專用的屏蔽層(絕緣層)，以使保護電流能較為均勻地分布到船殼水下的各個部分。因此在設定好陽極的單元位置后，將其周圍的8個單元設定為屏蔽層。

圖5 船體陽極分布

2 船體電位及水下電場數值模擬分析

根據模型建立的方法和參數，首先使ICCP系統不工作，即輔助陽極的輸出電流為零，可計算得到在自腐蝕狀態下船體的電位分布，即腐蝕狀況，如圖6所示，測量點平面的電流密度的強度如圖7所示。一般情況下，船體的保護電位位于-1 100 mV～-850 mV區間內，由計算結果能夠發現，船體整體處于腐蝕狀態且較為嚴重(船體電位位于-380 mV～-366 mV)，而銅制的螺旋槳的腐蝕則更加突出(螺旋槳電位位于-366 mV～-350 mV)。而腐蝕形成的電流必然導致其水下靜電場的形成，由于電場強度和電流密度之間存在E=J/σ的關系，故電場強度可以直接用電流密度的強度來表征。

由圖6和圖7可知，整個船殼水下部分大都處于-300 mV～-500 mV的較為嚴重的欠保護狀態，且船體下方50 m處電流密度的最大值在x方向約為0.6 mA/m2，y方向約為0.2 mA/m2，z方向約為0.6 mA/m-2，所以，船體本身的腐蝕能夠產生較強的靜電場。

圖6 未加陰極保護時的船體電位

(a) 測量平面內x方向電流密度

(b) 測量平面內y方向電流密度

(c) 測量平面內z方向電流密度

圖7 測量平面電流密度分布

將4個陽極的電流密度均設置為-8 A/m2以期達到保護船殼不受腐蝕的目的，電流的正方向為船體指向海水的法向向外方向，船殼電位如圖8所示，測量電平面電流密度強度的分布如圖9所示。

圖8 加陰極保護時的船體電位

對比ICCP系統開啟前后船殼電位和測量點平面的電流密度可以發現，ICCP系統開啟后，船殼整個水下部分，包括裸露的金屬部分(即螺旋槳和涂層破損部位)都處于-800 mV～-1 100 mV的保護區間內，且船體下方50 m處電流密度的最大值在x方向約為0.25 mA/m-2，y方向約為0.08 mA/m-2，z方向約為0.25 mA/m2，所以，無論是船身的腐蝕狀況還是水下電場的目標特征都得到了明顯的改善。

3 結 論

實踐表明，BEASY邊界元仿真模擬能夠使參數的調節更加直觀，所得的計算結果能夠即時地跟隨參數的變化而變化，在很大程度上彌補了電性源模擬體方法在計算和反演上較為復雜等缺點，教學中的可視化得到進一步加強，使學生在整個實驗的邏輯進程上的連接變得更加緊湊。

用BEASY邊界元分析作為教學的輔助手段，可以更加直觀地解釋實驗中發生的現象，是學生對知識點掌握得更加深刻和牢固，知識面得到擴展，可以克服實驗觀測難、分析難、重復難，反演時間長等不足，還可以得到實驗室無法真實再現的實驗現象，能夠豐富教學內容，為常規的實驗教學方式提供了一種新思路。將BEASY邊界元分析用于“艦船物理場”實驗部分的課程教學，可以加深學生對船舶防腐系統對其水下電場分布以及目標特征的影響的認識和理解，有助于激發學生的求知欲和自主學習興趣，有助于提高學生的實踐技能和分析能力，有助于增強學生對船舶水下電場的認識和理論水平。

(a) 測量平面內x方向電流密度

(b) 測量平面內y方向電流密度

(c) 測量平面內z方向電流密度

圖9 測量平面電流密度強度分布

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[2] 陳 聰，蔣治國，姚陸鋒．淺海中潛艇腐蝕相關靜態電磁信號特征[J]．海軍工程大學學報，2014，26(3)：1-6．

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Simulation of Underwater Electric Field of a Ship

TAN Hao， JIANG Zhiguo， CHEN Cong

(College of Sciences, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to strengthen the degree of visualization in teaching, the boundary element analysis software BEASY was used on numerical simulation of underwater electric field caused by the corruption of a ship in the sea, and the potential distribution of the ship hull and underwater were calculated in two states which the hull in natural corrosion and in protection. The results show that corrosion on the hull and the electric field underwater could be effect by the output current of the cathodic protection system, using BEASY numerical simulation can make the parameters more intuitive to ship the ship underwater electric field, the change results can immediately follow parameter changes, helps to enhance students’ understanding of the ship underwater electric field and the theoretical level.

underwater electric field; boundary element method; corrosion potential; cathodic protection, numerical simulation

2016-11-25

海軍工程大學基金項目“船舶水下靜電場特征控制研究”(425517K102)

譚 浩(1984-),男，湖北武漢人，博士，講師，研究工作：水下低頻電磁場信號檢測及特征控制。

Tel.：027-65460830，13720297693;E-mail：22892728@qq.com

U 675.6

A

1006-7167(2017)08-0060-04