船舶水下電場數(shù)值模擬

譚 浩， 蔣治國， 陳 聰

(海軍工程大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430033)

船舶水下電場數(shù)值模擬

譚 浩， 蔣治國， 陳 聰

(海軍工程大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430033)

為使教學(xué)中的可視化程度進(jìn)一步加強(qiáng)，采用邊界元分析軟件BEASY對船舶在海水中由腐蝕產(chǎn)生的水下電場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算了船體在自然腐蝕和外加電流保護(hù)下兩種狀態(tài)下的船身電位分布和船體下方的電場分布。結(jié)果表明，對陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出電流進(jìn)行調(diào)控，能夠?qū)Υ淼母g狀況和水下電場信號的強(qiáng)度和分布產(chǎn)生影響，在合理設(shè)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(jìn)行數(shù)值模擬能夠使參數(shù)的調(diào)節(jié)更加直觀，使得計(jì)算結(jié)果能夠即時(shí)地跟隨參數(shù)的變化而變化，有助于增強(qiáng)學(xué)生對船舶水下電場的認(rèn)識和理論水平。

水下電場； 邊界元法； 腐蝕電位； 陰極保護(hù)； 數(shù)值模擬

0 引 言

船身不同金屬結(jié)構(gòu)之間因電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕電流會經(jīng)海水從船殼流向螺旋槳并通過各種軸承、密封和機(jī)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(yùn)動(dòng)，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(tǒng)對水下電場的影響，主要依靠試驗(yàn)和工程師的經(jīng)驗(yàn)，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(jīng)濟(jì)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(biāo)特性。

“艦船物理場”是一門研究艦船的各種物理場以及相應(yīng)海洋環(huán)境背景場的規(guī)律的學(xué)科[1]，是為了滿足海軍武器裝備發(fā)展的需要逐步形成和發(fā)展起來的，是海軍應(yīng)用物理相關(guān)學(xué)科、尤其是水中兵器相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)入專業(yè)課程學(xué)習(xí)過程中的一門關(guān)鍵性課程，對實(shí)現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)具有重要作用。

在船舶水下電場方面，一直以來，我國的學(xué)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(shù)往往只有環(huán)境與船體的位置關(guān)系、海水電導(dǎo)率、海床電導(dǎo)率、海水-海床的相對位置等，對船體本身的各項(xiàng)細(xì)節(jié)參數(shù)的體現(xiàn)往往不那么直觀，如船舶陰極保護(hù)系統(tǒng)所包含陽極的種類(犧牲陽極或輔助陽極)、數(shù)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)，且往往需要通過實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演對模型進(jìn)行修正，過程復(fù)雜，使得整個(gè)建模和實(shí)驗(yàn)過程在課堂演示中難以完成，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生了一定的影響。

為了使學(xué)生更加科學(xué)、透徹、直觀地掌握船舶水下腐蝕相關(guān)電場的特征[7-11]，本文對特定船型的水下電場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過改變船體模型的各參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)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(xiàn)BEASY邊界元仿真模擬在教學(xué)中的較之傳統(tǒng)方法的優(yōu)越性。

1 BEASY對海洋環(huán)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(jìn)器則是由銅合金制造，如鎳鋁-青銅或錳青銅；在海水環(huán)境中，船體與螺旋槳之間會形成電偶效應(yīng)，作為船體的低合金鋼或鋁合金是電偶對的陽極，將會發(fā)生腐蝕，而銅質(zhì)螺旋槳作為電偶對的陰極，將受到保護(hù)，同時(shí)在電偶電路中產(chǎn)生了電流。因此，在模型的建立中，設(shè)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(guān)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(diǎn)及邊界的模型如圖2所示，具體參數(shù)如表1所示。其中邊界為邊長約為20倍船長的立方體，整個(gè)系統(tǒng)可以視為半無限大區(qū)域。船體模型只關(guān)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(nèi)為海水，電導(dǎo)率為4 S/m。場點(diǎn)為間隔4 m共400點(diǎn)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(diǎn)的設(shè)置

表1 船體及場點(diǎn)模型參數(shù) m

場點(diǎn)深場點(diǎn)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(gè)單元包含一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)點(diǎn)：網(wǎng)點(diǎn)決定單元的位置與形狀，節(jié)點(diǎn)為該點(diǎn)所計(jì)算的值。本模型中四邊形的單元有9個(gè)網(wǎng)點(diǎn)，形成一個(gè)3×3的矩陣，1個(gè)節(jié)點(diǎn)；三角形單元有6個(gè)網(wǎng)點(diǎn)[15]，如圖3所示。節(jié)點(diǎn)越多，得到的計(jì)算結(jié)果越精密，但是計(jì)算量也越大。

圖3 各單元的結(jié)構(gòu)

設(shè)定船殼某區(qū)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(qū)域的裸鋼和兩個(gè)螺旋槳暴露在海水中，如圖4所示。

圖4 船殼無涂層區(qū)域

在ICCP系統(tǒng)中設(shè)置4個(gè)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(hù)，而在離陽極較遠(yuǎn)處電流密度較小，形成欠保護(hù)，須在陽極周圍設(shè)置專用的屏蔽層(絕緣層)，以使保護(hù)電流能較為均勻地分布到船殼水下的各個(gè)部分。因此在設(shè)定好陽極的單元位置后，將其周圍的8個(gè)單元設(shè)定為屏蔽層。

圖5 船體陽極分布

2 船體電位及水下電場數(shù)值模擬分析

根據(jù)模型建立的方法和參數(shù)，首先使ICCP系統(tǒng)不工作，即輔助陽極的輸出電流為零，可計(jì)算得到在自腐蝕狀態(tài)下船體的電位分布，即腐蝕狀況，如圖6所示，測量點(diǎn)平面的電流密度的強(qiáng)度如圖7所示。一般情況下，船體的保護(hù)電位位于-1 100 mV～-850 mV區(qū)間內(nèi)，由計(jì)算結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，船體整體處于腐蝕狀態(tài)且較為嚴(yán)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(dǎo)致其水下靜電場的形成，由于電場強(qiáng)度和電流密度之間存在E=J/σ的關(guān)系，故電場強(qiáng)度可以直接用電流密度的強(qiáng)度來表征。

由圖6和圖7可知，整個(gè)船殼水下部分大都處于-300 mV～-500 mV的較為嚴(yán)重的欠保護(hù)狀態(tài)，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(chǎn)生較強(qiáng)的靜電場。

圖6 未加陰極保護(hù)時(shí)的船體電位

(a) 測量平面內(nèi)x方向電流密度

(b) 測量平面內(nèi)y方向電流密度

(c) 測量平面內(nèi)z方向電流密度

圖7 測量平面電流密度分布

將4個(gè)陽極的電流密度均設(shè)置為-8 A/m2以期達(dá)到保護(hù)船殼不受腐蝕的目的，電流的正方向?yàn)榇w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(qiáng)度的分布如圖9所示。

圖8 加陰極保護(hù)時(shí)的船體電位

對比ICCP系統(tǒng)開啟前后船殼電位和測量點(diǎn)平面的電流密度可以發(fā)現(xiàn)，ICCP系統(tǒng)開啟后，船殼整個(gè)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(hù)區(qū)間內(nèi)，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(biāo)特征都得到了明顯的改善。

3 結(jié) 論

實(shí)踐表明，BEASY邊界元仿真模擬能夠使參數(shù)的調(diào)節(jié)更加直觀，所得的計(jì)算結(jié)果能夠即時(shí)地跟隨參數(shù)的變化而變化，在很大程度上彌補(bǔ)了電性源模擬體方法在計(jì)算和反演上較為復(fù)雜等缺點(diǎn)，教學(xué)中的可視化得到進(jìn)一步加強(qiáng)，使學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的邏輯進(jìn)程上的連接變得更加緊湊。

用BEASY邊界元分析作為教學(xué)的輔助手段，可以更加直觀地解釋實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象，是學(xué)生對知識點(diǎn)掌握得更加深刻和牢固，知識面得到擴(kuò)展，可以克服實(shí)驗(yàn)觀測難、分析難、重復(fù)難，反演時(shí)間長等不足，還可以得到實(shí)驗(yàn)室無法真實(shí)再現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能夠豐富教學(xué)內(nèi)容，為常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)部分的課程教學(xué)，可以加深學(xué)生對船舶防腐系統(tǒng)對其水下電場分布以及目標(biāo)特征的影響的認(rèn)識和理解，有助于激發(fā)學(xué)生的求知欲和自主學(xué)習(xí)興趣，有助于提高學(xué)生的實(shí)踐技能和分析能力，有助于增強(qiáng)學(xué)生對船舶水下電場的認(rèn)識和理論水平。

(a) 測量平面內(nèi)x方向電流密度

(b) 測量平面內(nèi)y方向電流密度

(c) 測量平面內(nèi)z方向電流密度

圖9 測量平面電流密度強(qiáng)度分布

[1] 林春生，龔沈光．船舶物理場 [M].北京：兵器工業(yè)出版社，2007．

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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(xué)基金項(xiàng)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