高溫高濕高鹽環境雷達典型部件腐蝕分析

馬洪波，陳燕云，時生淦，李寧霞

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高溫高濕高鹽環境雷達典型部件腐蝕分析

馬洪波，陳燕云，時生淦，李寧霞

（西安電子科技大學 機電工程學院，西安 710071）

目的研究雷達典型部件長期工作在高溫、高濕、高鹽霧等環境下腐蝕情況的影響機理。方法提出在該環境下對雷達典型部件多場耦合的仿真計算方法，以計算流體動力學（CFD）軟件FLUENT為平臺，建立雷達典型部件的有限元模型，對雷達典型部件進行仿真模擬分析。結果得到了雷達典型部件的溫度、濕度和鹽度分布云圖和綜合環境腐蝕云圖，從腐蝕云圖可以看出，部件表面腐蝕程度在0.6 mm以上，腐蝕程度比較嚴重，仿真結果與實際檢測結果較為吻合。從分布云圖可知，單一的溫度或鹽度因素對部件表面的腐蝕情況影響較小，濕度對其影響較為顯著。結論驗證了仿真計算方法的合理性和正確性，為雷達典型部件的動力學仿真，為其腐蝕現象的進一步研究及預防提供了理論指導。

雷達；高溫高濕高鹽；流體動力學；腐蝕分析

隨著世界范圍內軍事變革的不斷深入，作戰樣式不斷更新，科學技術的迅猛發展，裝備發展日新月異。世界各國特別是一些主要軍事大國特別強調軍隊的質量建設，要求在不影響軍隊實力的情況下，縮減軍隊和裝備的規模[1—3]。這些對裝備的環境適應性提出了更高的要求[4]。沿海地區的氣候具有高溫、高濕、高鹽霧、臺風等顯著特征，而大型雷達體型龐大、結構復雜，這些氣候特征可能給設備造成很大影響。海洋環境對電子設備的侵蝕是非常嚴重的。嚴酷的鹽霧環境，加之溫濕度的綜合作用，常常引起武器裝備上電子設備三防的失效[5—7]，使印刷電路板上的線路隨之產生腐蝕和剝離，元器件金屬管腳產生腐蝕或斷裂，連接器的接觸電阻增大，導致線路故障或產生各種由環境因子而引發的失效。

1992年，美國將“環境影響”作為一項重要的關鍵技術。在2005年作為年度技術目標，對國防電子裝配進行了研究、建模和仿真[8—10]。目前，國內一些產品研制單位陸續開始開展基于環境應力的仿真分析和數學模擬方法的研究及工程實踐，為產品的設計和研制工作提供了有力的支持[11—12]。文中以某雷達典型部件為例，運用ANSYS FLUENT仿真軟件，對其在高溫度、高濕度和高鹽霧的條件下進行仿真分析，為雷達天線的進一步設計及防腐蝕措施提供理論指導。

1 溫度、濕度和鹽度數值仿真方法

采用計算流體動力學（CFD）仿真軟件ANSYS FLUENT進行數值模擬。該軟件包含了廣泛的物理模型，能模擬工業應用中的流動、傳熱和反應，其網格具有完全的靈活性，能相對容易地對復雜幾何生成非結構網格來求解流動問題。

1.1 溫度分布建模及求解方法

溫度分布采用Menter提出的兩方程SST（Shear Stress Transport）模式[13]。SST模式是基于標準的-模式和-模式的混合模式，求解湍流剪切應力的輸運方程。SST模式求解湍流動能和湍流頻率的偏微分方程組為：

(2)

式（3）中的3μ項是基于“凍結應力”假設得到的，它能保證湍動能和湍動能耗散率經過激波時不會變得太大。

1.2 濕度分布建模及求解方法

濕度場通過求解由空氣和水蒸氣組成的混合物組分輸運方程獲得。混合氣體第個組分的含量記為Y，則其質量守恒方程為對流-擴散方程：

式中：R是組分由于化學反應的生成項；是組分由于其他原因所產生的源項；J是組分的擴散通量，在湍流中可根據式（5）計算：

(5)

式中：t為湍流施密特數；t為湍流渦粘系數；t為湍流擴散系數。

1.3 高鹽分布建模及求解方法

鹽度分布的仿真采用求解標量輸運方程得到：

式中：和S分別為標量輸運系數和體積源項。

根據鹽霧氣溶膠釋放率的經驗或半經驗公式[14—15]，可以得到穩態情況下鹽霧氣溶膠濃度分布規律：

(8)

式中：s為鹽霧氣溶膠顆粒的沉降速度；c是鹽霧氣溶膠邊界層厚度；為湍流擴散Schmit數；是Rouse數。

將式（７）其作為鹽霧氣溶膠濃度分布的入口邊界條件，采用Euler擬流體模型計算鹽霧氣溶膠濃度分布。

2 雷達典型部件高溫高濕高鹽環境仿真分析

2.1 雷達典型部件模型

雷達典型部件支撐座是用來支撐天線，并使其在規定空域內運動的裝置。它通過天線控制系統使天線按照預定的運動規律，或者跟隨目標運動，并且通過軸位檢測裝置，精確地測出目標的方位。支撐座的好壞對天線結構的穩定性非常重要，因此分析支撐座的受腐蝕情況是相當必要的。支撐座在實際工作環境中的位置及其腐蝕情況如圖1所示。

圖1 支撐座照片

在CFD仿真中，空間劃分采用四面體非結構網格、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200余萬。支撐座表面的網格分布如圖2所示。

圖2 支撐座表面網格

2.2 仿真計算條件

在高溫高濕高鹽條件下，需要確定的參數包括日氣溫變化、濕度變化和風速變化。對日氣溫變化采用正弦形式的公式，其中，白天氣溫公式為：

夜晚氣溫公式為：

(11)

式中：T為第個小時的氣溫；和分別為一天的最低和最高氣溫；s是日落時的氣溫；為白天時長；為夜晚時長；為最低氣溫到日落的時長；為日落到最低氣溫的時長；為最高氣溫的延遲系數；為夜晚溫度系數；為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。

在一天之中相對濕度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：

式中：U為第個小時t的風速；min和max分別為一天的最低和最高風速；m是平均風速；p是最高風速出現的時間。

2.3 仿真結果與分析

支撐座表面的濕度如圖3所示，可以看到，支撐座正對入口的表面濕度明顯較大。因為空氣中豐富的水蒸氣遇到支撐座表面后呈集聚態勢，在支撐座表面富集，從而導致其正對入口的表面濕度較大。由圖3中濕度分布情況可以看出，其與支撐座的腐蝕情況較為一致，可見濕度可能是引起支撐座表面腐蝕的主要原因之一。

圖3 濕度云圖

圖4給出支撐座表面的鹽度分布云圖，圖5給出支撐座表面的溫度分布云圖。由于鹽度的大小與空氣中水蒸氣溶解電解質的多少和集聚狀態有關系。電解質隨水蒸氣的集聚附著在支撐座表面，隨水蒸氣的凝聚而滑落，氣溶膠電解質隨時間逐漸沉降富集。因此從圖4中可以看出，電解質的積累狀態在支撐座沿高度方向上隨高度增加逐漸降低。支撐座表面的鹽度分布云圖較好地展示了氣溶膠電解質的沉降狀況。從圖5中可以看出，支撐座表面的溫度沒有明顯的區域性差異，這可能與支撐座表面積相對較小以及在支撐座金屬材料的屬性有關。將圖4和圖5與圖1分別進行對比可知，單獨電解質物質的存在或單獨溫度因素可能不是引起支撐座腐蝕的主要原因，說明電解質物質的存在以及溫度因素可能加速或促進腐蝕的發生。

支撐座表面的腐蝕云圖如圖6所示。可以看出，支撐座表面的腐蝕程度與圖1顯示的實際腐蝕情況具有較好的一致性，說明較高的溫度、濕度和鹽度綜合作用下極易導致金屬材料表面的腐蝕，同時這也為金屬材料的防腐蝕提出相應的要求。

圖4 鹽度云圖

圖5 溫度云圖

圖6 腐蝕云圖

以上仿真結果可以看出，雷達天線支撐座在綜合環境下的腐蝕情況與實際情況比較吻合，因此對雷達典型裝備在綜合環境的條件下進行仿真分析，具有良好的理論指導意義。

3 結論

1）文中的溫度分布采用求解SST模式方程得到，濕度分布采用求解由空氣和水蒸氣組成的混合物組分輸運方程得到，鹽度分布采用求解標量輸運方程得到，為雷達典型部件的腐蝕分析仿真提供理論依據。

2）雷達關鍵部件在模擬高溫、高濕和高鹽綜合環境下的仿真結果與實際環境中雷達關鍵部件所受腐蝕情況的對比表明，綜合仿真能夠給出與實際情況定性相符的結果，對雷達部件的防腐蝕措施具有有效的指導意義。

3）通過CFD仿真研究了高溫、高濕和高鹽等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，以及腐蝕發生所需要具備的環境條件，從而為裝備的進一步改進防護設計提供了有力支持，最大限度提高裝備的抗腐蝕特性，對武器裝備可靠性工程的發展具有重要的現實意義。

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Corrosion Analysis of Radar Typical Component in High Temperature High Humidity and High Salinity Environment

MA Hong-bo, CHEN Yan-yun, SHI Sheng-gan, LI Ning-xia

(School of Electromechanical Engineering, Xidian University, Xi'an 710071, China)

Objective To study the influence mechanism of corrosion typical radar component working for a long-term in environment of high temperature, high humidity and high salt fog. Methods A simulation calculation method of radar typical components in the environment was proposed. A finite element model of radar typical components was established with the computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT as platform to conduct simulation analysis. Results The distributions of temperature, humidity and salinity as well as comprehensive environment corrosion of typical radar components were obtained. The corrosion degree of parts surface was above 0.6mm and serious, which was in agreement with the actual radar equipment test result. In addition, from distributions of the simulation, the single temperature or salinity had little influence on surface corrosion of parts, while the humidity had a significant impact on the corrosion. Conclusion It proves the rationality and correctness of the simulation calculation method, and provides a theoretical guidance for further study and prevention of radar equipment corrosion of typical radar parts.

radar; high temperature high humidity and high salinity; fluid dynamics; corrosion analysis

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.019

TJ07；TG172

A

1672-9242(2017)04-0091-05

2017-01-10；

2017-02-21

陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2014JM8349）

馬洪波（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向為電子裝備結構可靠性分析及優化設計。