李 靜，馬志宏，胡銳鋒，李寧霞

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

雷達(dá)關(guān)鍵部件對西北地區(qū)典型環(huán)境適應(yīng)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(dá)所，北京 100085； 2.西安電子科技大學(xué)，西安 710071）

長期工作在西北地區(qū)大溫差、多風(fēng)砂和強(qiáng)紫外線等惡劣復(fù)雜環(huán)境下的雷達(dá)裝備表面極易出現(xiàn)表面磨蝕或損壞。建立了雷達(dá)對西北地區(qū)綜合環(huán)境適應(yīng)性的仿真分析方法，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件FLUENT為平臺(tái)，對雷達(dá)典型部件在大溫差、多風(fēng)砂和強(qiáng)紫外線環(huán)境中的表面狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果與雷達(dá)裝備實(shí)際情況較為吻合，為進(jìn)一步深入研究相關(guān)物理機(jī)理以及設(shè)計(jì)防護(hù)措施提供了理論依據(jù)。

雷達(dá)；環(huán)境適應(yīng)性；CFD仿真；西北地區(qū)

引言

隨著電子裝備在國防、軍工以及各個(gè)民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，雷達(dá)等電子裝備也廣泛用于野外、高山以及海上等環(huán)境條件惡劣的領(lǐng)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(huán)境嚴(yán)重影響武器裝備作戰(zhàn)效能的例子比比皆是，十分深刻。據(jù)國家1995年統(tǒng)計(jì)，全國僅環(huán)境腐蝕造成的損失一年就達(dá)1 500億人民幣（其中海洋腐蝕損失占1/3），占國民生產(chǎn)總值的2 %，大于各種自然災(zāi)害的總和[1]。由此可見，降低環(huán)境影響，提高裝備環(huán)境適應(yīng)性，保證其質(zhì)量，是一項(xiàng)十分迫切而又艱巨的戰(zhàn)略任務(wù)。國內(nèi)外關(guān)于裝備的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)進(jìn)行了大量研究，制定了一系列環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

由于現(xiàn)有武器裝備環(huán)境適應(yīng)性研究在仿真方面的不足，本文以某雷達(dá)典型部件為例，運(yùn)用CFD仿真軟件，對其在大溫差、多風(fēng)砂和強(qiáng)紫外線環(huán)境中的表面狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，為雷達(dá)的進(jìn)一步改進(jìn)防護(hù)設(shè)計(jì)提供支持。

1 雷達(dá)裝備西北典型工作環(huán)境特征分析

太陽輻射強(qiáng)烈是西北地區(qū)的典型特征[2]。當(dāng)太陽輻射與溫度、濕度等氣候因素組合時(shí)，其破壞作用更為明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全部的高分子材料約有四分之一是在戶外使用時(shí)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(shí)其內(nèi)在的機(jī)械性能和電氣性能也會(huì)隨之降低，從而使材料的使用價(jià)值降低，甚至報(bào)廢。

砂塵危害嚴(yán)重是西北地區(qū)又一典型特征。砂塵對雷達(dá)裝備產(chǎn)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(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)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(jié)合部位，造成產(chǎn)品損壞、失靈、接觸不良或活動(dòng)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(shù)值仿真方法

本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真軟件ANSYS FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，采用二階離散格式和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，能達(dá)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(xué)深度區(qū)間的輻射問題，其輻射輸運(yùn)方程可寫為：

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

3 沙塵運(yùn)動(dòng)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(rèn)為兩者臨界尺寸為50 μ m。沙塵主要有懸移和躍移兩種運(yùn)動(dòng)模式。粉塵能夠較長時(shí)間懸浮在空中，稱為懸移。沙粒在風(fēng)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(tài)-對數(shù)分布[4]，因此在仿真分析中采用正態(tài)-對數(shù)分布將粒徑分布離散化，分別計(jì)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(yùn)動(dòng)。

首先計(jì)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(xiàn)[5]中給出的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，L是沙粒平均躍移長度，采用文獻(xiàn)[6]給出的公式計(jì)算得出。

地表沙粒起跳進(jìn)入風(fēng)場的邊界條件，采用概率統(tǒng)計(jì)模型給定的沙粒起跳速度和角度。其起跳速度通過下式計(jì)算：

起跳角度約為45°，u*是摩阻風(fēng)速。數(shù)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(jì)算離散相顆粒運(yùn)動(dòng)，可用壁面侵蝕率表征表面磨損程度。壁面侵蝕率的計(jì)算公式為：

式中，Rerosion是壁面侵蝕率， m˙p是入射顆粒的質(zhì)量流量，f是沖擊角度的函數(shù)，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(xiàn)[7]等給出的模型定義參數(shù)1。其中，B是材料的Brinell硬度（鋁合金B(yǎng)rinell硬度為95），F(xiàn)s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(yùn)動(dòng)采用Euler擬流體模型計(jì)算其濃度分布。根據(jù)文獻(xiàn)[8][9]地表粉塵釋放率的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，得到穩(wěn)態(tài)情況下粉塵濃度分布律[10]：

其中，

ψ≈0.5772156649015為Euler-Mascheroni常數(shù)，γ是Rouse數(shù)，Sc是湍流擴(kuò)散Schmit數(shù)，C0是地表 z0處的粉塵濃度（ z0是地表等效粗糙度）。數(shù)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(dá)部件綜合環(huán)境仿真

4.1 雷達(dá)部件模型

雷達(dá)典型部件—支架及其實(shí)際磨損情況如圖1所示。

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

4.2 仿真計(jì)算條件

綜合環(huán)境條件參數(shù)包括日氣溫變化、濕度變化和風(fēng)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(gè)小時(shí)的氣 溫，Tmin和Tmax是一天的最低和最高氣溫，Ts是日落時(shí)的氣溫，Y是白天時(shí)長，Z是夜晚時(shí)長， m是最低氣溫到日落的時(shí)長，n是日落到最低氣溫的時(shí)長，a是最高氣溫的延遲系數(shù)，b是夜晚溫度系數(shù)，c是從日落到最低氣溫的延遲系數(shù)，其取值分別為1 .86，2.20和-0.17。

輸入?yún)?shù)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(shù)可根據(jù)輸入?yún)?shù)以及位置所在緯度確定。下面給出計(jì)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(nèi)的變化規(guī)律正好與氣溫相反，即最高氣溫時(shí)間對應(yīng)最低相對濕度時(shí)間、最低氣溫時(shí)間對應(yīng)于最高相對濕度時(shí)間。

風(fēng)速在一天內(nèi)的變化公式為：

其中，Ui是第i個(gè)小時(shí)ti的風(fēng)速，Um是平均風(fēng)速，Umin和Umax是一天的最低和最高風(fēng)速，tp是最高風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間。

4.3 仿真結(jié)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(dá)支架所在的位置，與實(shí)際情況吻合。

圖1 支架照片

圖2 支架表面網(wǎng)格

圖3 沖蝕云圖

圖4 粉塵作用切應(yīng)力云圖

圖5 粉塵作用正應(yīng)力云圖

圖6 太陽輻射輻射強(qiáng)度云圖

圖4給出支架表面受粉塵沖蝕作用所導(dǎo)致的切應(yīng)力云圖，圖5給出支架表面受粉塵沖蝕所導(dǎo)致的正應(yīng)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(jìn)行仿真模擬。從圖中可以看出，切應(yīng)力較強(qiáng)的區(qū)域在支架四周邊緣處，正應(yīng)力較強(qiáng)的區(qū)域?yàn)橹Ъ苤虚g面積較大處。正應(yīng)力較強(qiáng)的區(qū)域與圖1顯示的受損區(qū)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(fā)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(qiáng)度分布。從中可以看到，支架受太陽輻射較強(qiáng)的區(qū)域與圖1顯示的受損區(qū)域具有較好的一致性，說明太陽輻射所導(dǎo)致的材料老化是支架表面材料發(fā)生剝蝕損傷的可能原因之一。

5 結(jié)論

1）通過CFD仿真研究了西北地區(qū)大溫差、強(qiáng)太陽輻 射以及沙塵流場等綜合環(huán)境因素對雷達(dá)部件的影響，獲得了雷達(dá)裝備最易受影響的薄弱部位，從而為裝備的進(jìn)一步改進(jìn)防護(hù)設(shè)計(jì)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(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義；

2）雷達(dá)關(guān)鍵部件在西北地區(qū)典型綜合環(huán)境下的仿真結(jié)果與實(shí)際環(huán)境中雷達(dá)關(guān)鍵部件受損情況的對比表明，綜合仿真能夠給出與實(shí)際情況定性相符的結(jié)果；

3）西北綜合環(huán)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(dǎo)致的磨損可能是西北地區(qū)雷達(dá)天線表面材料剝落受損的主要原因之一，但更詳細(xì)的物理機(jī)理是進(jìn)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(xiàng)目工程管理專業(yè)。裝備環(huán)境可靠性研究。