通風(fēng)彎管道高空核電磁脈沖響應(yīng)研究

李愛虎，蔡星會(huì)，仇瑜環(huán)，黎素芬

(1.火箭軍工程大學(xué)， 西安 710025； 2.中國(guó)人民解放軍91515部隊(duì)， 海南 三亞 572016)

大型地下工事，機(jī)庫(kù)等重點(diǎn)目標(biāo)均存在通風(fēng)管道，通風(fēng)管道包括直管道和彎曲管道，高空核電磁脈沖可以通過管道進(jìn)入工事、機(jī)庫(kù)內(nèi)部，可能造成電子元器件失靈，邏輯電路翻轉(zhuǎn)，電子系統(tǒng)崩潰的嚴(yán)重后果。因此針對(duì)管道核電磁脈沖耦合響應(yīng)研究十分必要，研究結(jié)果可為管道抗核電磁脈沖加固提供參考。

通風(fēng)直管道的高空核電磁脈沖耦合響應(yīng)已有相關(guān)研究，但由于建筑形態(tài)各異，通風(fēng)系統(tǒng)中廣泛存在的管道網(wǎng)絡(luò)，支路連接，拐彎情況不可避免出現(xiàn)，彎曲管道的高空核電磁脈沖耦合響應(yīng)研究未見相關(guān)文獻(xiàn)，故開展相關(guān)研究具有重要意義。

高空核電磁脈沖具有極高強(qiáng)度的能量，具有峰值場(chǎng)強(qiáng)高，頻譜范圍寬，前沿極陡峭的特點(diǎn)[1]，對(duì)電子元器件具有極大威脅，可以通過傳導(dǎo)耦合、輻射耦合的方式作用于天線、電力線、元件等物體，產(chǎn)生極高的場(chǎng)強(qiáng)、電壓、電流，破壞系統(tǒng)或設(shè)備[2]。廣大學(xué)者對(duì)高空核電磁脈沖進(jìn)行了深入研究，謝彥召等[3]分析了核電磁脈沖波形標(biāo)準(zhǔn)及特性，張舉丘等[4]通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，結(jié)合計(jì)算機(jī)編程技術(shù)計(jì)算研究了高空核電磁脈沖對(duì)埋地油氣管道、架空油氣管道的耦合問題。王晨東等[5]基于BLT方程分析了埋地管道的電磁脈沖響應(yīng)規(guī)律，劉青等[6]研究分析了埋地管道核電磁脈沖的響應(yīng)不確定度量化。從上述文獻(xiàn)可知，核電磁脈沖及管道的研究比較豐富，但通風(fēng)管道和油氣管道不同，尤其是彎曲管道，涉及到脈沖的反射疊加問題，且管道功能不同，設(shè)計(jì)參數(shù)也各異，可能隨工事、機(jī)庫(kù)各異呈現(xiàn)多樣化。通風(fēng)直管道的核電磁脈沖響應(yīng)已有研究，因此針對(duì)通風(fēng)彎管道的響應(yīng)分析很有必要。

1 高空核電磁脈沖

高空核電磁脈沖一般指距地面40 km以上的高空核爆炸產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線與周圍空氣介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的輻射瞬變電磁場(chǎng)，源區(qū)場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)105V/m量級(jí)[7]。由于產(chǎn)生的電磁脈沖能量強(qiáng)度大，覆蓋范圍廣，爆心視界范圍內(nèi)皆能受到攻擊，因此相比地面核爆與低空核爆更受關(guān)注。高空核爆炸發(fā)生后，地面可以測(cè)到3種波形，分別為早期E1波形，中期E2波形，晚期E3波形[8]，E2和E3部分主要威脅較長(zhǎng)電力線和中低頻設(shè)備，E1部分蘊(yùn)含能量占據(jù)整體能量的99%，對(duì)電子系統(tǒng)及設(shè)備干擾破壞最為明顯[1]，因此高空核電磁脈沖研究主要針對(duì)E1部分進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)外通常使用雙指數(shù)形式來(lái)模擬高空核電磁脈沖波形。其表達(dá)式為

E(t)=E0k(e-βt-eαt)

其中E0=50 kV/m，為場(chǎng)強(qiáng)最大值，k=1.30(IEC標(biāo)準(zhǔn))，為修正系數(shù)，α=4.0×107/s，為脈沖前沿參數(shù)，β=6.0×108/s，為脈沖后沿參數(shù)。其時(shí)域波形如圖1所示。

圖1 高空核電磁脈沖時(shí)域波形

2 通風(fēng)彎管道電磁環(huán)境研究

2.1 標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)彎管道模型

通過控制單一變量的方法研究通風(fēng)彎管道內(nèi)電磁環(huán)境的影響因素。首先建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎曲管道模型，在模型內(nèi)部設(shè)置合理的測(cè)量點(diǎn)，高空核電磁脈沖從管道左側(cè)垂直入射進(jìn)入管道內(nèi)部，通過有限積分法對(duì)管道內(nèi)部電磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算，得到管道內(nèi)部電磁場(chǎng)分布情況，研究其他變量的影響時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)彎曲管道模型基礎(chǔ)上保持單一變量，改變管道的彎曲位置和彎曲次數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)，比較各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度變化情況，分析彎曲管道內(nèi)部影響電磁環(huán)境的主要因素。

設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)模型為兩次直角彎曲，管道半徑為75 cm，管道厚度為1 cm，管道為金屬鐵材質(zhì)，管道總長(zhǎng)度約為7 700 cm，分為長(zhǎng)管道3 000 cm，第1個(gè)拐彎471 cm(所有拐彎半徑為300 cm)，中間連接部分管道750 cm，第2個(gè)拐彎471cm，長(zhǎng)管道3 000 cm。在標(biāo)準(zhǔn)模型入射端口，坐標(biāo)為(-3 300，750，0)，彎曲管道前端，坐標(biāo)為(-300，750，0)，彎曲管道中部連接處，坐標(biāo)為(0，100，0)，第2個(gè)彎道后部，坐標(biāo)為(400，-600，0)4個(gè)地方設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)模型及測(cè)量點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)彎曲管道模型示意圖

仿真計(jì)算得到通風(fēng)彎管道內(nèi)部各測(cè)量點(diǎn)耦合場(chǎng)強(qiáng)，從圖3可以看出：隨著距離管道端口長(zhǎng)度的增加，耦合響應(yīng)得到的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值在減少，入射端口處初始場(chǎng)強(qiáng)為42 350 kV/m。259 ns有一個(gè)極高峰，峰值為72 449 kV/m，通過電磁波理論分析得出，這個(gè)極高峰是第一道入射波傳入管道后，在彎道內(nèi)壁面反射的回波和入射波疊加造成的。此時(shí)場(chǎng)強(qiáng)極高，大大高于入射波場(chǎng)強(qiáng)。

圖3 測(cè)量點(diǎn)仿真計(jì)算結(jié)果曲線

管道橫截面上場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，仿真計(jì)算出口處橫截面上的耦合場(chǎng)強(qiáng)，通過計(jì)算結(jié)果分析橫截面上場(chǎng)強(qiáng)分布的規(guī)律，并找出最大場(chǎng)強(qiáng)值。在半徑為75 cm的橫截面上，豎直向下的直徑標(biāo)號(hào)為1，每30°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)步進(jìn)一次，每30°步進(jìn)時(shí)所處直徑間隔15 cm設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)分布位置如圖4所示，仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖4 橫截面處測(cè)量點(diǎn)分布位置示意圖

由表1可以看出：管道出口處橫截面耦合場(chǎng)強(qiáng)最大值在1號(hào)直徑最下面的測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)，即橫截面中軸線最下面的點(diǎn)，場(chǎng)強(qiáng)值為165 613 V/m，是入射場(chǎng)強(qiáng)最大值50 000 V/m的3倍多。分析1號(hào)直徑測(cè)量點(diǎn)，最大值為最下面的測(cè)量點(diǎn)，次大值為最上面的測(cè)量點(diǎn)，且由最大值降序排列時(shí)，測(cè)量點(diǎn)下面，上面對(duì)稱位置交替排列，越靠近中點(diǎn)耦合場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值越小，在中點(diǎn)達(dá)到最小值，且最小值為81 871 V/m，仍舊遠(yuǎn)大于入射最大場(chǎng)強(qiáng)50 000 V/m，但和橫截面最大值相比小了一半以上。

表1 測(cè)量點(diǎn)最高耦合場(chǎng)強(qiáng)

按照同樣的方法在距出口18 m處研究橫截面場(chǎng)強(qiáng)耦合規(guī)律，可以得到，在管道內(nèi)部，橫截面上場(chǎng)強(qiáng)大小比較接近，最大耦合場(chǎng)強(qiáng)為4 975 V/m，中心處耦合場(chǎng)強(qiáng)為4 047 V/m，和橫截面最大值相比減少了18.7%。

管道出口處橫截面上的耦合場(chǎng)強(qiáng)規(guī)律和管道內(nèi)部耦合規(guī)律具有較大差別，總的來(lái)說(shuō)，中心處耦合場(chǎng)強(qiáng)最弱，管道截面下部比上部對(duì)稱位置處耦合場(chǎng)強(qiáng)要大，且最大場(chǎng)強(qiáng)耦合處接近管道底端。

2.2 通風(fēng)管道彎曲位置影響

在標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)彎管道模型基礎(chǔ)上，改變通風(fēng)管道彎曲位置，在距離管道入射端口10 m、30 m、50 m處彎曲管道，同時(shí)在距離管道入射端口5 m、25 m、45 m處對(duì)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行仿真計(jì)算，使得每個(gè)計(jì)算點(diǎn)距離彎曲位置5 m，同時(shí)針對(duì)每種工況對(duì)管道入口處，管道出口處進(jìn)行計(jì)算仿真，針對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到通風(fēng)彎管道彎曲位置對(duì)電磁脈沖耦合響應(yīng)的影響。圖5～圖7為彎曲位置示意圖。

圖5 彎曲位置示意圖(距端口10 m處)

圖6 彎曲位置示意圖(距端口30 m處)

圖7 彎曲位置示意圖(距端口50 m處)

針對(duì)以上3種工況進(jìn)行仿真計(jì)算，比較分析3種工況下，管道入口處，彎曲位置前5 m處，管道出口處的耦合場(chǎng)強(qiáng)。耦合場(chǎng)強(qiáng)如圖8～圖10所示。

圖8 入射口、彎曲前5 m處及出口處耦合場(chǎng)強(qiáng)(10 m處彎曲)曲線

圖10 入射口、彎曲前5 m處及出口處耦合場(chǎng)強(qiáng)(50 m處彎曲)曲線

由以上3種不同彎曲位置的耦合場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果分析，管道入射端口處初始耦合場(chǎng)強(qiáng)分別為42 349 V/m、42 351 V/m、42 351 V/m，3個(gè)數(shù)值基本一致。分析入射端口出現(xiàn)的極高峰，管道彎曲位置距離入射端口越近，第1個(gè)反射回波和入射波疊加的極高峰出現(xiàn)時(shí)間越短，峰值越高。10 m、30 m、50 m 處彎曲情況第1個(gè)反射回波峰值依次為83 972 V/m、72 449 V/m、66 986 V/m，由于波的疊加，使得極高峰峰值場(chǎng)強(qiáng)超過入射波。峰值場(chǎng)強(qiáng)隨著彎曲位置距離入射端口長(zhǎng)度增加而減少，這也符合隨著管道長(zhǎng)度增加能量衰減的規(guī)律。

分析彎曲管道出口處的耦合場(chǎng)強(qiáng)，此時(shí)極高峰出現(xiàn)是因?yàn)殡姶琶}沖傳播到管道出口處，管道出口處涉及到2種介質(zhì)的阻抗匹配問題。此時(shí)阻抗匹配失衡，管道出口處出現(xiàn)的極高峰可能是反射回波和入射波疊加造成在。分析管道出口處峰值場(chǎng)強(qiáng)，分別為76 468 V/m、82 104 V/m、94 196 V/m，3個(gè)數(shù)值以此增加，管道出口處峰值場(chǎng)強(qiáng)極高，并隨著管道彎曲位置距離入射端口長(zhǎng)度增加而增加。在管道出口處應(yīng)著重考慮電磁脈沖的相關(guān)防護(hù)問題。

2.3 通風(fēng)管道彎曲次數(shù)影響

在標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)彎管道模型基礎(chǔ)上，改變通風(fēng)管道中間彎曲長(zhǎng)度，使上下兩節(jié)長(zhǎng)管道之間落差為18 m，以保證高度適應(yīng)多次彎曲，設(shè)置彎曲次數(shù)為2次、4次、6次，對(duì)距離管道出口前12 m、15 m、17 m，進(jìn)行仿真計(jì)算，保證計(jì)算點(diǎn)距彎曲管道入口處距離一致，空間相對(duì)位置一致，管道總長(zhǎng)一致，通過數(shù)值仿真分析管道彎曲次數(shù)對(duì)管道內(nèi)部耦合場(chǎng)強(qiáng)的影響。圖11～圖13為不同彎曲次數(shù)示意圖。

圖11 彎曲2次管道模型示意圖

圖12 彎曲4次管道模型示意圖

圖13 彎曲6次管道模型示意圖

針對(duì)3種管道模型，分別進(jìn)行仿真計(jì)算分析，結(jié)果如圖14～圖16所示。

圖14 彎曲2次耦合場(chǎng)強(qiáng)仿真曲線

圖15 彎曲4次耦合場(chǎng)強(qiáng)仿真曲線

圖16 彎曲6次耦合場(chǎng)強(qiáng)仿真曲線

3種管道彎曲次數(shù)工況下，在距出口12 m處耦合場(chǎng)強(qiáng)最大值分別為4 716 V/m、4 630 V/m、5 835 V/m，在距出口 15 m 處耦合場(chǎng)強(qiáng)最大值分別為4 374 V/m、4 308 V/m、4 430 V/m，在距出口17 m處耦合場(chǎng)強(qiáng)最大值分別為4 540 V/m、4 376 V/m、4 689 V/m，由以上數(shù)據(jù)可以分析得出，管道彎曲次數(shù)從2～4次，管道內(nèi)部相同點(diǎn)耦合場(chǎng)強(qiáng)降低，但是從彎曲次數(shù)4～6次，耦合場(chǎng)強(qiáng)卻增加，彎曲2次情況增加最為明顯。增加管道彎曲次數(shù)可能增強(qiáng)管道內(nèi)部最強(qiáng)耦合場(chǎng)強(qiáng)，也可能降低管道內(nèi)部最強(qiáng)耦合場(chǎng)強(qiáng)。

值得注意的是，管道出口前管道內(nèi)部耦合場(chǎng)強(qiáng)大體出現(xiàn)振蕩趨勢(shì)，這可能和管道出口與空氣相接出現(xiàn)阻抗匹配失衡導(dǎo)致的回波與入射波疊加有關(guān)，分析管道彎曲次數(shù)和距管道出口處相同長(zhǎng)度點(diǎn)的第1次極值耦合場(chǎng)強(qiáng)，在距出口15 m處第一次極值耦合場(chǎng)強(qiáng)分別為4 070 V/m、3 971 V/m、3 030 V/m，在距出口17 m處第1次極值耦合場(chǎng)強(qiáng)分別為4 540 V/m、4 120 V/m、3 200 V/m。以上2個(gè)點(diǎn)第1次出現(xiàn)極值的場(chǎng)強(qiáng)大小和彎曲次數(shù)有關(guān)，場(chǎng)強(qiáng)隨著彎曲次數(shù)增加而降低，距出口17 m處彎曲4次相比彎曲2次降低了2.4%，彎曲6次相比彎曲4次降低了23.7%，距出口15 m處分別降低了9.3%、22.3%，故可以斷定，增加彎曲次數(shù)可以降低管道內(nèi)部初始耦合場(chǎng)強(qiáng)，但必須考慮管道出口阻抗匹配失衡造成的回波疊加。在現(xiàn)實(shí)情況中，彎曲次數(shù)和回波疊加須協(xié)調(diào)分析處理。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)彎曲管道耦合場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)分析

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)彎管道，仿真計(jì)算管道內(nèi)部各個(gè)點(diǎn)耦合場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，通過數(shù)據(jù)分析得出電磁脈沖在管道內(nèi)部傳播的規(guī)律。

將表2數(shù)據(jù)繪制成圖，橫坐標(biāo)為距管道入射口距離，縱坐標(biāo)為耦合場(chǎng)強(qiáng)，由于入射處端口場(chǎng)強(qiáng)極大，故舍去入射處端口場(chǎng)強(qiáng)，將其余數(shù)據(jù)繪制成圖，直觀了解耦合場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖17所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)彎管道第1部分橫管道耦合場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)

圖17 第1部分橫管道耦合場(chǎng)強(qiáng)隨距入口處距離變化曲線

由圖17可以看出：耦合場(chǎng)強(qiáng)大體隨著入射距離增加而減少，在入射端口處減小的較為迅速，隨著入射距離增加，減小的速度減緩。

將表3數(shù)據(jù)繪制成圖，橫坐標(biāo)為距上管道中軸線垂直距離，縱坐標(biāo)為耦合場(chǎng)強(qiáng)，如圖18所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)彎管道第2部分豎直管道耦合場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)

圖18 中間豎直管道耦合場(chǎng)強(qiáng)隨距上管道距離變化曲線

由圖18可以看出：豎直管道耦合場(chǎng)強(qiáng)大體隨著距上管道距離增加而減少，減少幅度較小，局部有異常波動(dòng)，數(shù)值上升，這種情況可能和豎直管道出口處和橫管道相連接，電磁脈沖在管道內(nèi)部反射回波和入射波疊加有關(guān)。

將表4數(shù)據(jù)繪制成圖，橫坐標(biāo)為距中間豎直管道中軸線距離，縱坐標(biāo)為耦合場(chǎng)強(qiáng)，如圖19所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)彎管道第3部分橫管道耦合場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)

圖19 第3部分橫管道耦合場(chǎng)強(qiáng)隨距豎直管道距離變化曲線

由圖19可以看出：第3部分橫管道耦合場(chǎng)強(qiáng)在剛開始波動(dòng)下降，但下降幅度極小，緊接著有較大幅度上升，然后產(chǎn)生振蕩，場(chǎng)強(qiáng)上下波動(dòng)，在管道末端，場(chǎng)強(qiáng)較快下降又急劇上升，管道末端和空氣相連接，涉及阻抗匹配問題，較為復(fù)雜，反射回波和入射波疊加造成管道內(nèi)部耦合場(chǎng)強(qiáng)振蕩及出口處場(chǎng)強(qiáng)異常急劇上升。

針對(duì)管道末端和空氣相連接的的出口處場(chǎng)強(qiáng)急劇上升的現(xiàn)象，可以在管道入口處增加金屬網(wǎng)，或者增加金屬蜂窩波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[9]，金屬網(wǎng)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)會(huì)吸收反射一定量電磁波，降低管道內(nèi)部電磁脈沖能量，或者使管道接地[10]，都能夠有效減少管道內(nèi)部耦合場(chǎng)強(qiáng)，進(jìn)而減少管道出口處場(chǎng)強(qiáng)；在阻抗匹配方面，可以在端口處使用復(fù)合材料過渡，使電磁脈沖振蕩疊加減少，進(jìn)而降低管道出口處場(chǎng)強(qiáng)。

3 結(jié)論

高空核電磁脈沖在彎曲管道傳播時(shí)，管道入口處由于反射波疊加造成耦合場(chǎng)強(qiáng)急劇升高，管道內(nèi)部耦合場(chǎng)強(qiáng)隨管道長(zhǎng)度增加而減少，管道出口處由于阻抗匹配失衡導(dǎo)致反射波疊加，場(chǎng)強(qiáng)急劇升高。管道彎曲位置距管道入口處越近，管道出口處耦合場(chǎng)強(qiáng)越小。管道彎曲次數(shù)越多，初始耦合場(chǎng)強(qiáng)極值越小，但是最高耦合場(chǎng)強(qiáng)和管道彎曲次數(shù)沒有明顯關(guān)系。