陳紅超，邵飛，李棟，林芃

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海201108

0 引 言

考慮到隱身性需要，現(xiàn)代艦船上露天布置的大型雷達(dá)需要安裝封閉式雷達(dá)罩，而雷達(dá)陣面的電子元器件工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，在封閉空間內(nèi)，若散熱不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致陣面過熱和環(huán)境溫度過高，從而使雷達(dá)電子元器件的工作效率下降。對(duì)于超出規(guī)定范圍的溫度，每增高10 ℃，雷達(dá)工作效率就會(huì)下降約2.0%［1］。此外，雷達(dá)設(shè)備在罩內(nèi)的空間占比大（約60%），雷達(dá)陣面在轉(zhuǎn)動(dòng)以及發(fā)射雷達(dá)波時(shí)，不允許發(fā)射陣面前有遮擋，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的通風(fēng)空調(diào)方式易對(duì)雷達(dá)波發(fā)射產(chǎn)生干擾或遮擋，不僅影響了雷達(dá)性能，而且也難以滿足封閉式雷達(dá)罩內(nèi)的熱環(huán)境控制要求。

針對(duì)雷達(dá)罩的工作特性以及罩內(nèi)的熱環(huán)境控制要求，張娟等［2］構(gòu)建了雷達(dá)罩的仿真模型，通過計(jì)算雷達(dá)罩表面的熱分布，將流場(chǎng)計(jì)算得到的溫度值插值到對(duì)應(yīng)的熱應(yīng)力分析模型中；文獻(xiàn)［3-7］對(duì)雷達(dá)罩本體結(jié)構(gòu)的壁面厚度、電性能、材料、隱身性等進(jìn)行了研究，且主要偏重于提高雷達(dá)罩本體的功能特性。然而，國(guó)內(nèi)目前還缺乏針對(duì)雷達(dá)罩內(nèi)溫度場(chǎng)及相應(yīng)通風(fēng)空調(diào)方式的研究。

因此，本文將針對(duì)封閉式桅桿雷達(dá)罩的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)，按照水面艦船桅桿通風(fēng)區(qū)溫度控制的規(guī)范要求，以某試驗(yàn)用封閉雷達(dá)罩為對(duì)象，結(jié)合我國(guó)水面艦船雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)要求，開展雷達(dá)罩內(nèi)環(huán)境溫度控制的仿真及數(shù)值計(jì)算，提出一種既能控制雷達(dá)罩內(nèi)溫度又不影響雷達(dá)工作性能的通風(fēng)空調(diào)方式，并驗(yàn)證其實(shí)際效果。所提通風(fēng)空調(diào)方式，對(duì)于提高我國(guó)水面艦船的相關(guān)技術(shù)水平具有重要意義。

1 雷達(dá)罩通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)方案

1.1 研究背景

圖1 所示為某試驗(yàn)用艦船桅桿頂部的雷達(dá)罩布置。由圖可見，雷達(dá)安裝在基座上，整個(gè)雷達(dá)和基座被封閉在雷達(dá)罩內(nèi)。雷達(dá)陣面在罩內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)并對(duì)外發(fā)射雷達(dá)波，為保證雷達(dá)能正常工作，參考相關(guān)規(guī)范對(duì)水面艦船桅桿通風(fēng)區(qū)的溫度控制要求［8］，雷達(dá)罩內(nèi)的溫度被控制在37 ℃。雷達(dá)罩總的熱負(fù)荷為6 373 kcal/h，其中傳導(dǎo)熱量為1 643 kcal/h，設(shè)備發(fā)熱量為4 730 kcal/h，雷達(dá)罩內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度為20 ℃（溫差為17 ℃），計(jì)算需要的空調(diào)風(fēng)量約1 300 m3/h。如果要控制封閉式雷達(dá)罩的溫度，需采取適當(dāng)?shù)乃惋L(fēng)方式，將空調(diào)風(fēng)均勻地送入雷達(dá)罩內(nèi)，并及時(shí)帶走罩內(nèi)的熱量。但因雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)特殊，其類似于球形，風(fēng)管無著力點(diǎn)，使得風(fēng)管沿雷達(dá)罩邊壁布置會(huì)干擾雷達(dá)波的發(fā)射，進(jìn)而影響雷達(dá)的性能。因此，采取何種通風(fēng)方式就成為了封閉式雷達(dá)罩內(nèi)環(huán)境控制的核心。

圖1 雷達(dá)罩示意圖Fig.1 Schematic diagram of radome

1.2 通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)

因?yàn)樵O(shè)計(jì)風(fēng)管時(shí)既不能在雷達(dá)陣面周圍布置，也不能沿雷達(dá)罩的邊壁布置，所以只能采取自下而上的通風(fēng)方式。而將風(fēng)管圍繞雷達(dá)基座一圈布置，雖然能滿足自下而上的送風(fēng)要求，但卻難以保證送風(fēng)的均勻性。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出了一種艦船雷達(dá)罩的通風(fēng)空調(diào)方式，亦即將空調(diào)風(fēng)管接入雷達(dá)基座腔體，在腔體的壁面設(shè)置送風(fēng)口，利用該腔體作為靜壓箱送風(fēng)，由設(shè)置在頂部的排風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，從而形成穩(wěn)定的自下而上的單向流，并及時(shí)帶走雷達(dá)陣面的熱量，以達(dá)到控制雷達(dá)罩內(nèi)溫度的目的。艦船雷達(dá)罩通風(fēng)原理如圖2 所示。該空調(diào)通風(fēng)方式結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，氣流組織良好，可以有效控制罩內(nèi)的溫度。

圖2 雷達(dá)罩通風(fēng)原理圖Fig.2 Ventilation diagram of radome

2 仿真分析

2.1 物理模型

借助CFD 可以準(zhǔn)確模擬密閉空間內(nèi)的氣流組織。陳紅超等［9］采用仿真和實(shí)測(cè)方法模擬了新型密閉式桅桿的空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果顯示，仿真與實(shí)測(cè)平均溫度誤差可控制在2.6%。

本文以某試驗(yàn)用封閉式雷達(dá)罩為模型，開展雷達(dá)罩通風(fēng)空調(diào)方式的仿真分析，建立雷達(dá)罩通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)1∶1 的物理模型，并對(duì)模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：

1）雷達(dá)模型簡(jiǎn)化為兩個(gè)發(fā)熱陣面，忽略雷達(dá)的支撐結(jié)構(gòu)；

2）忽略空調(diào)風(fēng)送入雷達(dá)基座腔體的過程，仿真中等效為空調(diào)風(fēng)從基座送風(fēng)口直接送出；

3）忽略雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)艙室平均溫度的影響，仿真中假設(shè)雷達(dá)直接對(duì)外發(fā)射；

4）雷達(dá)排風(fēng)機(jī)等效為封閉式雷達(dá)罩頂部的排風(fēng)口。

通過對(duì)模型的簡(jiǎn)化處理，建立了整個(gè)封閉式雷達(dá)罩通風(fēng)系統(tǒng)物理模型，如圖3 所示。

圖3 雷達(dá)罩空調(diào)通風(fēng)物理模型Fig.3 Physical model of air conditioning and ventilation for radome

2.2 數(shù)值模擬模型

連續(xù)性方程：

式中：x，y，z為三維坐標(biāo)系下的方向坐標(biāo)，m；t為時(shí)間，s；u，v，w分別為x，y，z方向的氣流速度矢量，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

動(dòng)量守恒方程：

式中：U 為速度矢量，m/s；μ為黏性系數(shù)，kg/（m2·s），p 為壓強(qiáng)，Pa；g為重力加速度，m/s2。

能量守恒方程：

式中：cp為比熱容，J/kg·K；T 為溫度，K；k為流體的傳熱系數(shù)，W/（m2·k）；ST為流體的內(nèi)熱源，即黏性耗散項(xiàng)，kg·K/（m3·s）。

因?yàn)榉忾]式雷達(dá)罩內(nèi)雷達(dá)陣面工作時(shí)產(chǎn)生的熱量非常大，所以本文構(gòu)建的模型模擬的流場(chǎng)屬于強(qiáng)制對(duì)流場(chǎng)。而對(duì)于封閉空間內(nèi)的對(duì)流過程計(jì)算，密度場(chǎng)計(jì)算是關(guān)鍵。本文對(duì)密度的處理采用了Boussinesq 模型，湍流模型則選用了低雷諾數(shù)的k-ε模型，該模型對(duì)于近壁面的高熱流量梯度與近壁面函數(shù)一樣都有很好的適應(yīng)性，而且在湍流區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型一樣有很高的精度。封閉式雷達(dá)罩空調(diào)通風(fēng)的溫度場(chǎng)的仿真邊界條件為：入口邊界Velocity-inlet，出口邊界Pressure-out，雷達(dá)罩外壁面wall。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

基于上述仿真模型計(jì)算夏季工況下封閉式雷達(dá)罩空調(diào)通風(fēng)的溫度場(chǎng)。其中，仿真條件輸入如下：雷達(dá)罩內(nèi)初始溫度為35 ℃，送風(fēng)溫度為20 ℃，送風(fēng)量為1 300 m3/h，雷達(dá)罩壁面溫度為50 ℃。

仿真計(jì)算封閉式雷達(dá)罩的各關(guān)鍵剖面的溫度分布。圖4 所示為各典型剖面位置，包括距離基座底部1 000，3 330，5 500 mm剖面和垂直于雷達(dá)的2 個(gè)中間剖面，各典型剖面的溫度分布如圖5所示。

觀察各剖面溫度分布的情況。由圖5 可見：各典型剖面的溫度大多約為27 ℃，溫度分布較均勻；靠近雷達(dá)陣面（圖5（a）和圖5（e））的局部溫度偏高，約35 ℃，相比其他區(qū)域的溫度，高了約8 ℃。經(jīng)分析可知，這種現(xiàn)象是由雷達(dá)陣面熱流密度大所導(dǎo)致。

圖4 雷達(dá)罩典型剖面分布圖Fig.4 Typical section distribution of radome

圖5 典型剖面的溫度分布云圖Fig.5 Temperature distribution diagram of typical sections

圖6 典型剖面平均溫度分布圖Fig.6 Average temperature distribution diagram of typical sections

3 雷達(dá)罩內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試

為驗(yàn)證雷達(dá)罩通風(fēng)空調(diào)方式的效果，如圖7所示，在雷達(dá)罩垂直壁面安裝了3 個(gè)溫度傳感器，分別距桅桿頂部1 000 和3 300 mm（靠近雷達(dá)陣面）以及距頂部剖面150 mm 處。這3 個(gè)傳感器用于采集不同工況下雷達(dá)罩內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)，其現(xiàn)場(chǎng)布置如圖8 所示。

圖7 雷達(dá)罩溫度傳感器布置圖Fig.7 Layout of the temperature sensors on the radome

圖8 雷達(dá)罩上的溫度傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.8 Field layout of the temperature sensors on the radome

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性，依據(jù)雷達(dá)罩內(nèi)的溫度傳感器布置的位置，在仿真模型中相同的位置取3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，考慮到實(shí)際雷達(dá)陣面在轉(zhuǎn)動(dòng)，若只取3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，得到的溫度可能會(huì)有偏差，故在雷達(dá)模型的另一側(cè)選取3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，以與原來的3 個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，如圖9 所示。

圖9 雷達(dá)罩測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.9 Layout of test points on the radome

本文取6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度平均值為實(shí)測(cè)溫度，圖10 所示為雷達(dá)罩內(nèi)的仿真和實(shí)測(cè)溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖10 可見，仿真和實(shí)測(cè)溫度曲線下降的趨勢(shì)基本一致，溫差也控制在±0.5 ℃以內(nèi)?？梢?，通過選取2 組對(duì)稱測(cè)點(diǎn)，可彌補(bǔ)簡(jiǎn)化的雷達(dá)罩仿真模型中“忽略雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)”對(duì)艙室平均溫度的影響，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

考慮到雷達(dá)全負(fù)荷發(fā)射時(shí)溫度傳感器會(huì)對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生干擾，所以對(duì)基座通風(fēng)效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并只選擇在雷達(dá)半負(fù)荷工作時(shí)開展。試驗(yàn)工況如下：首先開啟空調(diào)設(shè)備，直至雷達(dá)罩內(nèi)的平均溫度與罩外溫度一致；然后關(guān)閉空調(diào)設(shè)備，雷達(dá)處于半負(fù)荷工作狀態(tài)，以使罩內(nèi)溫度穩(wěn)步上升，當(dāng)趨于穩(wěn)定后，再開啟空調(diào)設(shè)備開始制冷。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下：空調(diào)送風(fēng)溫度5.07 ℃，風(fēng)量1 300 m3/h。圖11 為空調(diào)設(shè)備開啟前的外界環(huán)境溫度分時(shí)圖，圖12 為整個(gè)試驗(yàn)過程中雷達(dá)罩內(nèi)的溫度分時(shí)圖，圖13 為開啟空調(diào)設(shè)備后雷達(dá)罩內(nèi)測(cè)點(diǎn)的溫度分時(shí)圖。

圖11 雷達(dá)罩外界環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Curve of environmental temperature of radome with respect to time

圖12 雷達(dá)罩內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.12 Curve of internal temperature in the radome with respect to time

圖13 雷達(dá)罩內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.13 Curve of internal temperature at measuring points in the radome with respect to time

由圖11 和圖12 可見：雷達(dá)罩的外界溫度穩(wěn)定在10～15 ℃時(shí)，雷達(dá)罩內(nèi)的溫度呈緩慢上升趨勢(shì)，趨于穩(wěn)定后（17.76 ℃），開啟空調(diào)通風(fēng)設(shè)備，雷達(dá)罩內(nèi)的溫度開始迅速下降。

由圖13 可見：雷達(dá)罩內(nèi)溫度40 min 內(nèi)下降了3.16 ℃，之后溫度下降的趨勢(shì)變緩，雷達(dá)罩內(nèi)溫度在12.9 ℃趨于穩(wěn)定。

基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出雷達(dá)基座的通風(fēng)空調(diào)方式可快速降低雷達(dá)罩內(nèi)的溫度。例如，在外界環(huán)境溫度與雷達(dá)罩內(nèi)的溫度相當(dāng)時(shí)，可以不考慮外界的傳熱，雷達(dá)罩的溫升可僅考慮設(shè)備發(fā)熱量；若雷達(dá)處于半負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)罩內(nèi)送、排風(fēng)溫差為7.83 ℃，此時(shí)則可以估算出雷達(dá)在滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)罩內(nèi)的送、排風(fēng)溫差為15.66 ℃；若外界溫度較高時(shí)，外界傳導(dǎo)熱（設(shè)備發(fā)熱量是傳導(dǎo)熱的2.88 倍）帶來的溫差為5.43 ℃，此時(shí)計(jì)算得到的雷達(dá)罩內(nèi)平均溫度約為26.16 ℃（送風(fēng)溫度5.07 ℃+設(shè)備發(fā)熱量引起的溫差15.66 ℃+傳導(dǎo)熱引起的溫差5.43 ℃）。因此，本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)罩基座通風(fēng)方式完全可以滿足溫度控制的要求。此外，在實(shí)際運(yùn)行中（溫度傳感器拆除），雷達(dá)滿負(fù)荷發(fā)射雷達(dá)波時(shí)，雷達(dá)均能正常工作，這也驗(yàn)證了該雷達(dá)罩的基座通風(fēng)方式完全符合雷達(dá)的使用要求。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)雷達(dá)罩的高發(fā)熱量和環(huán)境控制要求，設(shè)計(jì)了一種艦船封閉式雷達(dá)罩的通風(fēng)空調(diào)方式，模擬分析了在此方式下雷達(dá)罩內(nèi)的溫度場(chǎng)，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了通風(fēng)空調(diào)的溫度控制效果。結(jié)果表明，該雷達(dá)基座通風(fēng)空調(diào)方式完全可以滿足雷達(dá)罩的環(huán)境溫度控制要求，并具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）可以形成穩(wěn)定的自下而上的氣流，及時(shí)帶走雷達(dá)陣面運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量，且溫度分布均勻。2）雷達(dá)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，節(jié)省空間。作為一個(gè)送風(fēng)靜壓箱，其出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口均設(shè)置在基座上，從而實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)罩內(nèi)無風(fēng)管送風(fēng)，避免了雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)或者對(duì)外發(fā)射造成對(duì)雷達(dá)波的反射及遮擋。本文所設(shè)計(jì)的雷達(dá)基座通風(fēng)空調(diào)方式可以應(yīng)用到新型封閉式桅桿雷達(dá)罩的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)中，其運(yùn)行方式安全、可靠，設(shè)計(jì)方法有較高的借鑒意義，可為提高現(xiàn)代艦載雷達(dá)的隱身設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。