王曉森，邵康，陶林，董龍雷

（1.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076；2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462； 3.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院，西安 710049）

淋雨試驗是一種人工環(huán)境模擬試驗方法，模擬的是受試設(shè)備在自然降雨或滴水條件下，設(shè)備防止雨水滲透的能力和遭到淋雨時或淋雨之后的工作效能。淋雨試驗是軍用設(shè)備研制過程中非常重要的一項試驗，是設(shè)備必然要經(jīng)受考驗的外界環(huán)境條件之一，常用來完成設(shè)備在工作狀態(tài)或貯存狀態(tài)下防水功能的可靠性驗證。

有關(guān)淋雨試驗方法的研究和應(yīng)用至今已有多年歷史，國內(nèi)外學(xué)者圍繞淋雨試驗的方法制定了很多標(biāo)準和規(guī)范。早在70年代，法國航空標(biāo)準、美國軍用標(biāo)準和英國軍用標(biāo)準均正式規(guī)定了有關(guān)人工淋雨、暴雨和防滴水方面的條款。應(yīng)用較廣的標(biāo)準有美國軍用標(biāo)準MIL-STD-810F—MIL-STD-810G，英國軍用標(biāo)準DEF STAN 00-35，北約標(biāo)準AECTP-300，以及美國航空無線電技術(shù)委員會發(fā)布的適合民用航空環(huán)境試驗系列的標(biāo)準 RTCA-DO-160—RTCA-DO- 160G[1-5]。隨著人們對環(huán)境技術(shù)認識的不斷深入，國際電工委員會先后出版了IEC-68-2-18《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗R 水試驗方法》和IEC 60529—2013《外殼防護等級（國際防護等級代碼）》。20世紀80年代以來，我國也制定了一些與上述國外及國際標(biāo)準等效的淋雨試驗標(biāo)準。如其中與美軍標(biāo)對應(yīng)的GJB 150.8《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法 淋雨試驗》和GJB 150.8A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第8部分 淋雨試驗》，與IEC-60068-2-18對應(yīng)的GB/T 2423.38—2005《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗R：水試驗方法和導(dǎo)則》，以及與IEC 60529—2013對應(yīng)的GB 4208—2017《外殼防護等級（IP代碼）》等[6-9]。除此之外，我國還制定了部分行業(yè)標(biāo)準，比如GJB 4.13、GJB 1063A、GJB 1027A、GJB 367A、GJB 1060.2、HB 6167.8—2014等[10-15]?；趯?biāo)準和規(guī)范的理解，文獻[16]從系統(tǒng)集成的角度提出了中小型淋雨試驗系統(tǒng)的建設(shè)方案，該方案能夠指導(dǎo)中小型產(chǎn)品淋雨試驗的具體實施。文獻[17]利用MATLAB對雨滴直徑和降雨強度等主要的淋雨試驗參數(shù)進行了模擬研究，研究結(jié)果為大面積淋雨試驗系統(tǒng)的建立提供了理論依據(jù)。文獻[18]針對室外使用的小尺寸設(shè)備，對淋雨試驗參考的GJB 150.8A—2009和 GJB 367A—2001中有關(guān)要求進行了對比分析，分析結(jié)果對設(shè)備研發(fā)人員制定試驗大綱和產(chǎn)品規(guī)范提供了參考。在淋雨試驗的相關(guān)工作中，有關(guān)淋雨試驗系統(tǒng)研制的相關(guān)研究也較多[19-21]。

綜上所述，國內(nèi)外針對淋雨試驗實施的指導(dǎo)規(guī)范和標(biāo)準以及相關(guān)的研究很多，但針對試驗標(biāo)準的詳細解讀和大尺寸設(shè)備淋雨試驗工程實現(xiàn)方法的研究仍然不足。文中以GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第8部分：淋雨試驗》中的強化試驗程序為例，首先從標(biāo)準解讀方面介紹了強化試驗程序的基本方法和要求。然后從數(shù)值模擬的角度分析了強化試驗程序噴嘴的壓力場和速度場分布規(guī)律，完成了分析結(jié)果的總結(jié)。最后提出了強化試驗程序試驗裝置設(shè)計方案，分析結(jié)果對強化試驗程序的實施具有重要的指導(dǎo)作用和參考依據(jù)。

1 淋雨試驗的特征及強化試驗程序分析

GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第8部分：淋雨試驗》中規(guī)定裝備進行淋雨試驗的目的如下：防止水滲入裝備的保護罩、殼體和密封墊圈的有效性；裝備暴露于水中時以及暴露之后滿足其性能要求的能力；由于淋雨造成裝備的任何物理破壞；任何除水裝置的有效性；檢查裝備包裝的有效性。其中程序Ⅱ——強化試驗程序主要為彌補不能進行帶風(fēng)源淋雨試驗的大型戶外設(shè)備，當(dāng)試驗裝置限制不能滿足18 m/s風(fēng)速情況下，可使用該程序進行等效代替。在GJB 150A中，要求噴嘴壓力為276 kPa，因為當(dāng)噴嘴壓力為276 kPa時，會產(chǎn)生流動速度大于18 m/s的水滴。為保證強化噴嘴的噴射雨滴尺寸在0.5～4.5 mm，噴嘴的標(biāo)稱孔徑一般為1.2～2.8 mm，具體尺寸應(yīng)結(jié)合降雨強度來確定，強化試驗程序時間為每面40 min。強化試驗程序典型噴嘴裝置如圖1所示， 強化噴嘴應(yīng)能產(chǎn)生方形噴涂圖案或其他重疊圖案（對于最大表面覆蓋率），強化噴嘴應(yīng)每0.56 m2至少布置1個，噴嘴距離產(chǎn)品表面的距離為48 cm。

圖1 強化試驗典型噴嘴裝置 Fig.1 Schematic diagram of typical nozzle device for strengthening test

2 數(shù)值模擬

2.1 理論基礎(chǔ)

在進行強化試驗程序時，水流在高壓作用下經(jīng)過噴嘴加速和流動的過程可以用流場分析的方法來模擬。流場模擬控制方程采用三維可壓黏性N-S方程：

湍流模型選用兩方程k-ε方程：

2.2 數(shù)值建模

利用有限元分析的方法開展數(shù)值模擬是研究噴嘴內(nèi)水流在高壓狀態(tài)下流場特性的有效途徑，強化噴嘴的幾何模型如圖2所示。由于GJB 150A對噴嘴的噴口直徑只給出了尺寸范圍，未明確特定尺寸，因此不同孔徑的噴嘴在出口速度和流場分布方面會存在一定的差異。文中選用的噴嘴噴口直徑為2.5 mm，數(shù)值模擬也以此為基礎(chǔ)進行。在工作過程中，高壓水從進口進入噴頭，然后從出口噴射，其中進口壓力為276 kPa。在模型簡化過程中，不考慮前端的外場環(huán)境，去除前端外輪廓，僅保留內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且僅保留出口5 mm外輪廓，以此為基礎(chǔ)向遠處建立2 m長圓柱形遠場，如圖3所示。本次仿真分析主要計算噴嘴在入口水壓為276 kPa下的出口速度及流場分布。

圖2 噴嘴的幾何模型 Fig.2 Geometric model of nozzle

圖3 噴嘴的簡化分析模型 Fig.3 Simplified analysis model of nozzle

針對噴嘴的簡化分析模型進行有限元網(wǎng)格劃分，所采用的軟件為ANSYS ICEM CFD。在網(wǎng)格處理過程中，對噴嘴出口處網(wǎng)格進行加密，對遠端網(wǎng)格進行適當(dāng)稀疏，以減少網(wǎng)格數(shù)量，從而減少計算量。最終生成的噴嘴及遠場網(wǎng)格如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)目為243萬，為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖4 噴嘴及遠場網(wǎng)格 Fig.4 Nozzle and far field grid

2.3 結(jié)果分析

計算得到強化噴嘴的穩(wěn)態(tài)流場，首先對壓力場和壓力云圖進行分析，分析結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，此時入口處最大靜壓為175 kPa，大氣壓強為101 kPa，總壓為276 kPa，滿足GJB 150.8A—2009中規(guī)定的噴嘴入口壓力要求。同時，噴嘴內(nèi)的壓力變化劇烈，尤其是在靠近出口的后半部分，從距離出口1 cm至出口處總壓迅速從255 kPa降至111.8 kPa，且在出口后極短距離內(nèi)降至101 kPa。

圖5 噴嘴壓力分析結(jié)果 Fig. 5 Analysis results for nozzle pressure: a) nozzle as a whole; b) 1 cm from nozzle outlet; c) export office

圖6為分析得到的速度云圖，可以看出，水流經(jīng)過噴嘴經(jīng)歷了激烈的加速過程，經(jīng)過噴嘴出口后，流速又迅速衰減。圖7為建立的v-x曲線，橫坐標(biāo)為距離出口的距離，縱坐標(biāo)為該平面最高速度。可以看出，從距離噴嘴出口0.01～0.4 m，水流速度迅速從251 m/s降至17.8 m/s。到1 m時，降至10.8 m/s，并趨于穩(wěn)定，對遠場影響較小。

圖6 速度云圖 Fig. 6 Velocity nephogram

圖7 v-x曲線 Fig. 7 v-x curve

3 試驗裝置設(shè)計

基于對GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環(huán) 境試驗方法第8部分：淋雨試驗》標(biāo)準的理解以及強化試驗程序中噴嘴的壓力場和流場分析結(jié)果，對強化試驗程序試驗裝置進行設(shè)計，設(shè)計方案如圖8所示。其中，試驗箱內(nèi)部的頂部、前后面、左右面均安裝強化噴水裝置，強化噴水裝置由閥門、管路、噴嘴等系統(tǒng)組成，可同時進行5個面的強化試驗程序。后面、左右面的噴嘴安裝在不同高度可折疊的噴桿上，以適應(yīng)0～1.5 m高度的要求。同時在噴桿進水端設(shè)置手動球閥，不同高度的噴桿通過手動球閥獨立開關(guān)，以滿足不同高度范圍試件的噴淋網(wǎng)陣。頂部的9只強化噴頭安裝在可升降滴雨盤上，滴雨盤高度可在1～4 m范圍內(nèi)沿固定導(dǎo)柱自由調(diào)節(jié)，可適應(yīng)不同高度試驗件頂部噴淋的要求，也可滿足試驗件進出箱的空間要求。為適應(yīng)不同試件高度的強化試驗考核要求，可對左右兩側(cè)噴桿進行折疊或者關(guān)閉不同高度的噴嘴，以達到試驗對噴淋網(wǎng)陣要求。由于受試件高度的限制，前面采用更換不同高度的噴桿來解決對試件噴淋網(wǎng)陣的要求。為使試驗人員更加方便操作，配有多種不同高度規(guī)格噴桿，并采用快速連接方式。最終設(shè)計完成的強化試驗程序試驗裝置5個面均有9只噴嘴，每個面的最大噴淋面積均≥2 m2。為得到最大表面覆蓋的重疊噴淋網(wǎng)陣，每個面兩個相鄰噴嘴之間的距離均為0.71 m，可以保證在每小于0.56 m2接受淋雨的表面范圍內(nèi)至少有1個噴嘴。以選用的噴嘴進行強化試驗時，推薦噴嘴距離產(chǎn)品表面的距離為40 cm，以保證雨滴打在產(chǎn)品表面時的速度為18 m/s，用于替代當(dāng)試驗裝置限制不能滿足該風(fēng)速情況下的淋雨試驗考核。

圖8 強化試驗裝置方案 Fig.8 Scheme diagram of strengthening test device

4 結(jié)論

文中對GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第8部分：淋雨試驗》中強化試驗程序標(biāo)準進行了解讀分析，總結(jié)了強化試驗程序的基本方法和要求。然后從數(shù)值模擬的角度分析了強化試驗程序噴嘴的壓力場和速度場分布規(guī)律，并基于分析結(jié)果，完成了強化試驗程序試驗裝置設(shè)計，主要結(jié)論如下：

1）從壓力云圖可以看出，噴嘴入口處最大壓力為276 kPa，滿足GJB 150A中規(guī)定的噴嘴出口壓力要求。壓力在噴嘴內(nèi)變化劇烈，尤其是在靠近出口的后半部分，從距離出口1 cm至出口處，靜壓迅速從154 kPa降至10.8 kPa，且在出口后極短距離內(nèi)降至0。

2）從速度云圖可以看出，水流經(jīng)過噴嘴經(jīng)歷了激烈的加速過程，經(jīng)過噴嘴出口后，流速迅速衰減。從距離噴嘴出口0.01～0.4 m的范圍內(nèi)，水流速度迅速從251 m/s降至17.8 m/s。

3）文中提出的強化試驗程序試驗裝置設(shè)計方案能夠同時滿足5個面的強化試驗，每個面的最大噴淋面積均≥2 m2。以所選噴嘴進行試驗時，推薦噴嘴距離產(chǎn)品表面的距離為40 cm。該方案為大型裝備強化試驗的實施提供了重要參考依據(jù)。