舰船水下静电场防护因素的仿真分析研究

张济平，柳 懿，王向军

舰船水下静电场防护因素的仿真分析研究

张济平，柳 懿，王向军

（海军工程大学电气工程学院，湖北武汉 430033）

舰船的静电场防护直接影响舰船在作战时的隐身性能。本文重点分析了影响舰船水下静电场防护的主要因素，采用边界元法建立某潜艇腐蚀静电场模型和外加补偿电流后的防护电场模型，研究了不同补偿电极位置、不同的补偿电流接地点位置及补偿电流和腐蚀电流比值系数变化对舰船静电场防护效果的影响。结果表明，补偿电极位置越靠近螺旋桨，以及补偿电流接地点位置越靠近船体破损点（阳极），舰船水下静电场防护效果越好，防护效果最好时的比值系数K 值的范围为（1~1.25）。

舰船静电场防护 补偿电极位置 接地点位置 比值系数K值

0 引言

海水的强腐蚀性和强导电性使得很多海洋工程受到严重的腐蚀。舰船上不同部件是由不同的金属材料构成，不同金属在海水电解质中化学性质的不同，产生了不同的稳定电极电位，导致船体表面上电位分布不同，不同电位的金属之间发生电连接，腐蚀就随着产生。当舰船处于海水环境中时，由于其钢制的船壳和铜制的螺旋桨存在电位差，再经由海水、大轴，舰船内部的一些器件及机械线路形成电气导通的状态。在海水中，可以将其看作是一个宏观复杂的腐蚀电池，腐蚀电流从船壳出发，经海水流经螺旋桨，再通过大轴和船内的机械设备及线路回到船壳，形成完整的腐蚀电流回路，从而形成具有一定电场强度的舰船水下静电场。最新的研究表明，腐蚀电场已成为新型水雷武器对海上舰船发起进攻的信号源。因此，为了保障海军舰船、舰艇的作战能力，必须提高其生存力，对其腐蚀过程中产生的电场进行抑制或者消除。目前，降低舰船水下静电场最直接有效的办法就是外加电流补偿方法。

基于外加电流补偿的舰船水下静电场防护方法是通过在舰船上安装补偿电极，通过补偿电极发出补偿电流，而补偿电流的方向与舰船腐蚀电流的方向相反，大小近似相等，从而在海水中产生与腐蚀电场大小接近，方向相反的电场，最终来降低海水中的舰船水下静电场。实际上就是通过补偿电极不断向海水中输出电流，使得船壳表面的电位趋近于自平衡电位。通过材料的极化曲线可以发现，材料的自平衡电位附件，此时材料表面的电流密度最小。实际操作时，根据所测的舰船大轴电流的大小（代表腐蚀电流），输出一定的补偿电流来减小舰船周围水下静电场。因此，影响舰船水下静电场防护效果的因素有补偿电流和大轴电流的比值（K 值）、补偿电极输出电流位置的变化和补偿电流接地点位置的变化。

缩比模型法（Physical Scale Modeling , PSM）和边界元法（Boundary Element Method, BEM）是研究舰船水下电场分布的主要方法。本论文将在此两种方法基础上加入有限元的研究方法进行仿真，并记录每次实验的数据进行观察、对比、分析、总结，最终得出不同因素对舰船静电场防护效果的影响。

1 静电场建模

1.1 腐蚀静电场模型建立

使用电化学模块下的二次电流密度接口求解拉普拉斯方程（1）及静电场基本方程（2）得到不同给定条件下的潜艇表面电位及水下电场分布，（3）式为欧姆定律：

表1 NAB和625合金电化学参数

图1 潜艇几何模型及网格剖分

1.2 边界条件

边界元法利用以下四个边界条件求解拉普拉斯方程：

1.3 水下电场分布的仿真研究

假设海水深度为200 m，潜艇下潜深度为50 m，通过仿真得到不同条件下（K值、接地点位置、补偿电极位置变化）潜艇表面电位和腐蚀电场分布，为了分析不同因素对潜艇水下静电场防护效果的影响，分布选取Z=-10m和Y=10m的平面进行观测。为了更直观地分析比较电场的分布，分别在潜艇下方和潜艇右侧选取一条路径进行观测，对其电场三分量和总电场强度进行分析。

初始条件下观测潜艇腐蚀电场，路径选择潜艇正下方10米（z=-10,y=0,x=-200~200）测线上的电场三分量及总电场强度分布，如图2所示。以及潜艇正右方10米测线（z=0,y=10,x=-200~200）上的电场三分量及总电场强度分布，如图3所示。

图2 Z=-10m平面电场三分量及总电场强度分布

1.4 仿真结果的分析讨论

电场三分量及总电场强度在艇体附近均有较大变化，X分量关于Y=0平面对称，最小值出现在阳极附近，在螺旋桨位置下方电场由正变为负，在阳极附近的前后两侧均出现电场分量的正峰值。Y分量关于Y=0平面反对称分布，在左舷和右舷各出现一次最大值和一次最小值，正峰值和负峰值的大小基本相等。Z分量关于Y=0平面对称，在纵向上有一个正峰值和一个负峰值，最大值出现在螺旋桨附近而最小值出现在艇体舯部。总电场强度关于Y=0平面对称，且其幅值出现在螺旋桨附近区域。当测线位于潜艇正下方时，由于潜艇关于XOZ平面对称，船体破损点（阳极）、接地点、补偿电极均对称分布于左右舷，所测Y分量电场即腐蚀电流场在龙骨上产生的横向（Y方向）电场分量Ey的数量级大小明显低于X，Z分量电场，且波动明显，计算时可看作为零。同理，测线位于潜艇正右方时，电场分量Ez也出现相似情况。

综上所述，螺旋桨和阳极（破损点）附近区域电场值产生了较大波动。原因是螺旋桨（NAB）和轴（625合金）两种不同金属间发生了电偶腐蚀，而船体涂有有机涂层处于绝缘状态，阳极产生的电流全部通过海水流向螺旋桨和轴，较强的电流导致了电场的明显波动。

图3 Y=10m平面电场三分量及总电场强度分布

2 防护电场的建立及影响防护效果的因素分析

仿真方法设定：首先确定仿真模型中接地点和补偿电极的初始位置。以距离破损点2米（沿X 轴负方向）的位置作为补偿电流接地点的初始位置，以距离螺旋桨2米（沿X 轴正方向）的位置作为补偿电极的初始位置。做接地点位置变化仿真时，保证补偿电极位置不变，每次以1米为一个单位距离，将接地点向X 轴负方向移动（远离破损点），每移动一次位置，找出该位置防护效果最好时对应的K 值并计算防护效果，K 值范围（0~2），间隔0.1。做补偿电极位置变化仿真时，每次以0.5米为一个单位距离，将补偿电极向X 轴正方向移动（远离螺旋桨），每移动一次补偿电极的位置，重复之前的接地点位置变化仿真，记录所有位置对应的K 值并计算防护效果。

2.1 K 值变化对静电场防护效果的影响

K 值即为补偿电流与腐蚀电流的比值。以船壳破损点为阳极，螺旋桨为阴极，给定腐蚀电流大小为3.14A，保持不变。补偿电极和补偿电流的接地点位于初始位置。取K 值范围（0~2），间隔0.1。测船体正下方10米（z=-10,y=0,x=-200~200）位置的电场强度。当K 值为0时，即为原腐蚀电场，电场模值为3.0066×10-4v/m。K 值变化后，防护后电场强度变化趋势如图4，图5。

图4 K 值为（0~2）电场模值变化曲线

防护效果分析：当K 为（0~1.1）时，防护后的电场模值不断减小，防护效果明显。当K 为（1.1~2）时，电场的模值不减反增，说明出现了过补偿的情况。为了更加精确找出静电场防护效果最好时对应的K 值点，根据图4的变化趋势显示，在K=1.1附近出现转折点。所以重新选取K 值范围（1~1.2），间隔0.01，重新进行电场的仿真分析。最终得出当K=1.13时水下静电场防护效果最好，此时防护后的电场模值为0.571×10-4v/m ，防护效果达到81％。

2.2 接地点和补偿电极位置变化对静电场防护效果的影响

由于已经计算了K 值变化对应静电场防护效果的变化，在接下来进行的仿真，只需要按照原先设定的仿真方法，进行不同位置的电场仿真分析。因为所测位置较多，数据量较大，为了方便直观进行研究，每个位置选取防护效果最好的情况，记录其位置，K 值和防护效果，绘制三维散点图及曲线图。X 轴代表接地点距离破损点的距离，Y 轴代表K 值范围，Z 轴代表防护的效果。由于补偿电极的位置变化了四次，次数相对少，故以补偿电极的每个位置作一条三维曲线，如图6。

图5 K 值为（1~1.2）电场模值变化曲线

图6 接地点和补偿电极不同位置下静电场防护效果图

防护效果分析与讨论：从单条曲线分析，补偿电流接地点位置距离破损点变远，潜艇的防护效果呈现明显的下降趋势，说明接地点距离破损点越近，防护效果越好。防护效果最好的点即接地点的最佳安装位置就是船体等效点（阳极处）。结合五条曲线来分析，补偿电极逐渐远离螺旋桨，潜艇的整体防护效果呈现明显的下降趋势，说明补偿电极距离螺旋桨越近，防护效果越好。而且综合所有情况，防护效果最好时，K 值范围（1~1.25）。

3 结论

利用边界元法建立潜艇腐蚀电场的模型，结合有限元方法分析不同因素对潜艇水下静电场防护效果的影响，主要结论如下：

1）初始位置时，当补偿电流与腐蚀电流的比值K 在（0~1.1）时，防护效果明显，防护后电场的模值不断减小；当K 为（1.1~2）时，电场的模值出现不减反增情况，说明出现了过补偿的情况。K 值在1.1附近出现转折点，经过进一步仿真得到防护效果最好时K 值为1.13。而纵观所有位置变化，防护效果最好时，K 值范围在（1~1.25）。

2）当补偿电流的接地点越接近潜艇破损点（阳极），补偿电极的位置越接近螺旋桨的位置，潜艇水下静电场的防护效果越好。

3）电场三分量和总电场强度在不同因素情况下具有相同的分布特征，电场在螺旋桨和阳极附近有较大波动。

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Simulation Analysis of Protective Factors of Submarine Electrostatic Field of Ships

Zhang Jiping, Liu Yi, Wang Xiangjun

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

TN95

A

1003-4862（2019）12-0050-05

2019-06-17

张济平(1993-)，男，研究生。研究方向：电磁环境与防护。E-mail: 2245113649@qq.com