船舶水下电场数值模拟

谭 浩， 蒋治国， 陈 聪

(海军工程大学 理学院，武汉 430033)

船舶水下电场数值模拟

谭 浩， 蒋治国， 陈 聪

(海军工程大学 理学院，武汉 430033)

为使教学中的可视化程度进一步加强，采用边界元分析软件BEASY对船舶在海水中由腐蚀产生的水下电场进行数值模拟分析，计算了船体在自然腐蚀和外加电流保护下两种状态下的船身电位分布和船体下方的电场分布。结果表明，对阴极保护系统的输出电流进行调控，能够对船身的腐蚀状况和水下电场信号的强度和分布产生影响，在合理设置的情况下能够抑制船身的腐蚀并减小水下的信号特征，采用beasy对船舶水下电场进行数值模拟能够使参数的调节更加直观，使得计算结果能够即时地跟随参数的变化而变化，有助于增强学生对船舶水下电场的认识和理论水平。

水下电场； 边界元法； 腐蚀电位； 阴极保护； 数值模拟

0 引 言

船身不同金属结构之间因电化学反应产生的腐蚀电流会经海水从船壳流向螺旋桨并通过各种轴承、密封和机械线路从螺旋桨返回到船壳形成回路，因此，无论船舶静止或是运动，其周围海水中都存在电场[1]。长期以来，人们在判断船体防腐系统对水下电场的影响，主要依靠试验和工程师的经验，这必然会消耗大量的人力物力。由腐蚀造成的舰船耐用性减弱，不仅会使舰船的使用寿命缩短、对国家造成巨大的经济损失，在军事上，也会直接影响到舰船的水下电磁信号，影响其目标特性。

“舰船物理场”是一门研究舰船的各种物理场以及相应海洋环境背景场的规律的学科[1]，是为了满足海军武器装备发展的需要逐步形成和发展起来的，是海军应用物理相关学科、尤其是水中兵器相关专业的基础课程学习转入专业课程学习过程中的一门关键性课程，对实现专业人才培养目标具有重要作用。

在船舶水下电场方面，一直以来，我国的学者大多利用电性源模拟体(电偶极子、电流元和电流线的组合)在空气-海水两层模型和空气-海水-海床3层模型下的电场分布模拟船舶水下电场分布[2-6]，所涉及到的参数往往只有环境与船体的位置关系、海水电导率、海床电导率、海水-海床的相对位置等，对船体本身的各项细节参数的体现往往不那么直观，如船舶阴极保护系统所包含阳极的种类(牺牲阳极或辅助阳极)、数量、布置原则、阴/阳极材料的极化曲线、船体涂层破损率、海水电导率以及船舶湿表面积等等，只能依靠电性源模拟体的排列组合来实现，且往往需要通过实测数据进行反演对模型进行修正，过程复杂，使得整个建模和实验过程在课堂演示中难以完成，对学生学习效果产生了一定的影响。

为了使学生更加科学、透彻、直观地掌握船舶水下腐蚀相关电场的特征[7-11]，本文对特定船型的水下电场进行数值模拟分析，通过改变船体模型的各参数，实时计算船体表面电位分布、一定水深处空间中的电场和电位分布，体现BEASY边界元仿真模拟在教学中的较之传统方法的优越性。

1 BEASY对海洋环境及船体的模拟

通常情况下，船体是由低合金钢或铝合金制造，螺旋桨推进器则是由铜合金制造，如镍铝-青铜或锰青铜；在海水环境中，船体与螺旋桨之间会形成电偶效应，作为船体的低合金钢或铝合金是电偶对的阳极，将会发生腐蚀，而铜质螺旋桨作为电偶对的阴极，将受到保护，同时在电偶电路中产生了电流。因此，在模型的建立中，设置船壳材料为钢，涂有防腐涂层(涂层覆盖程度85%)，螺旋桨材料为铜-镍合金，阳极材料为锌。对于材料而言，电位和电流密度之间存在的关系可以用极化曲线来描述，模型中涉及到的材料的极化曲线如图1所示。

图1 船体3种材料的极化曲线

船体水下部分、场点及边界的模型如图2所示，具体参数如表1所示。其中边界为边长约为20倍船长的立方体，整个系统可以视为半无限大区域。船体模型只关系到水下部分(空气中的部分无腐蚀)，且其螺旋桨位于顶端中心位置。边界内为海水，电导率为4 S/m。场点为间隔4 m共400点且中心位于船体螺旋桨正下方的平面。

图2 船体、边界以及测量点的设置

表1 船体及场点模型参数 m

场点深场点边长边界边长502002000

船身的大部分单元为四边形，在船首船尾处有少量单元为三角形[12-14]。每个单元包含一定数量的节点和网点：网点决定单元的位置与形状，节点为该点所计算的值。本模型中四边形的单元有9个网点，形成一个3×3的矩阵，1个节点；三角形单元有6个网点[15]，如图3所示。节点越多，得到的计算结果越精密，但是计算量也越大。

图3 各单元的结构

设定船壳某区域的防腐涂层脱落、螺旋桨没有防腐涂层，即防腐涂层脱落区域的裸钢和两个螺旋桨暴露在海水中，如图4所示。

图4 船壳无涂层区域

在ICCP系统中设置4个辅助阳极，如图5所示。位于船体中部的两阳极面积约为1.1 m2；位于螺旋桨附近的两阳极所在单元的面积约为3 m2。为防止阳极周围船体钢板上电流密度过大形成过保护，而在离阳极较远处电流密度较小，形成欠保护，须在阳极周围设置专用的屏蔽层(绝缘层)，以使保护电流能较为均匀地分布到船壳水下的各个部分。因此在设定好阳极的单元位置后，将其周围的8个单元设定为屏蔽层。

图5 船体阳极分布

2 船体电位及水下电场数值模拟分析

根据模型建立的方法和参数，首先使ICCP系统不工作，即辅助阳极的输出电流为零，可计算得到在自腐蚀状态下船体的电位分布，即腐蚀状况，如图6所示，测量点平面的电流密度的强度如图7所示。一般情况下，船体的保护电位位于-1 100 mV～-850 mV区间内，由计算结果能够发现，船体整体处于腐蚀状态且较为严重(船体电位位于-380 mV～-366 mV)，而铜制的螺旋桨的腐蚀则更加突出(螺旋桨电位位于-366 mV～-350 mV)。而腐蚀形成的电流必然导致其水下静电场的形成，由于电场强度和电流密度之间存在E=J/σ的关系，故电场强度可以直接用电流密度的强度来表征。

由图6和图7可知，整个船壳水下部分大都处于-300 mV～-500 mV的较为严重的欠保护状态，且船体下方50 m处电流密度的最大值在x方向约为0.6 mA/m2，y方向约为0.2 mA/m2，z方向约为0.6 mA/m-2，所以，船体本身的腐蚀能够产生较强的静电场。

图6 未加阴极保护时的船体电位

(a) 测量平面内x方向电流密度

(b) 测量平面内y方向电流密度

(c) 测量平面内z方向电流密度

图7 测量平面电流密度分布

将4个阳极的电流密度均设置为-8 A/m2以期达到保护船壳不受腐蚀的目的，电流的正方向为船体指向海水的法向向外方向，船壳电位如图8所示，测量电平面电流密度强度的分布如图9所示。

图8 加阴极保护时的船体电位

对比ICCP系统开启前后船壳电位和测量点平面的电流密度可以发现，ICCP系统开启后，船壳整个水下部分，包括裸露的金属部分(即螺旋桨和涂层破损部位)都处于-800 mV～-1 100 mV的保护区间内，且船体下方50 m处电流密度的最大值在x方向约为0.25 mA/m-2，y方向约为0.08 mA/m-2，z方向约为0.25 mA/m2，所以，无论是船身的腐蚀状况还是水下电场的目标特征都得到了明显的改善。

3 结 论

实践表明，BEASY边界元仿真模拟能够使参数的调节更加直观，所得的计算结果能够即时地跟随参数的变化而变化，在很大程度上弥补了电性源模拟体方法在计算和反演上较为复杂等缺点，教学中的可视化得到进一步加强，使学生在整个实验的逻辑进程上的连接变得更加紧凑。

用BEASY边界元分析作为教学的辅助手段，可以更加直观地解释实验中发生的现象，是学生对知识点掌握得更加深刻和牢固，知识面得到扩展，可以克服实验观测难、分析难、重复难，反演时间长等不足，还可以得到实验室无法真实再现的实验现象，能够丰富教学内容，为常规的实验教学方式提供了一种新思路。将BEASY边界元分析用于“舰船物理场”实验部分的课程教学，可以加深学生对船舶防腐系统对其水下电场分布以及目标特征的影响的认识和理解，有助于激发学生的求知欲和自主学习兴趣，有助于提高学生的实践技能和分析能力，有助于增强学生对船舶水下电场的认识和理论水平。

(a) 测量平面内x方向电流密度

(b) 测量平面内y方向电流密度

(c) 测量平面内z方向电流密度

图9 测量平面电流密度强度分布

[1] 林春生，龚沈光．船舶物理场 [M].北京：兵器工业出版社，2007．

[2] 陈 聪，蒋治国，姚陆锋．浅海中潜艇腐蚀相关静态电磁信号特征[J]．海军工程大学学报，2014，26(3)：1-6．

[3] 姜润翔，史建伟，龚沈光．船舶极低频电场信号特征分析[J]．海军工程大学学报，2014，26(1)：5-9．

[4] 陈 聪，李定国，蒋治国．二次等效法求三层媒质中静态电偶极子的场分布[J]．物理学报，2012，61(24)：1-6．

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[7] 王卫国，胡今鸿，刘 宏．国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J]．实验室研究与探索，2015，34(5)：214-219．

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[9] 李永梅，李玉占，孙国富．数值仿真分析技术在混凝土结构教学中的应用—以钢筋混凝土双向板受力分析为例[J]．实验室研究与探索，2016，35(10)：80-84．

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[11] 王卫国．虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J]．实验室研究与探索，2013，32(12)：5-8．

[12] 魏 勇，黄 一，龚沈光．基于边界元法的舰船ICCP系统引起的静态CRM场[J]．海军工程大学学报，2013，25(6)：36-42．

[13] 臧燕华，岳瑞永，李沛剑．基于边界元理论模型的舰船腐蚀相关电场衰减规律[J]．舰船科学技术，2012，34(1)：11-14．

[14] 刘士利．改进的边界元法及其在电场计算中的应用[D]．北京：华北电力大学，2011．

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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

海军工程大学基金项目“船舶水下静电场特征控制研究”(425517K102)

谭 浩(1984-),男，湖北武汉人，博士，讲师，研究工作：水下低频电磁场信号检测及特征控制。

Tel.：027-65460830，13720297693;E-mail：22892728@qq.com

U 675.6

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1006-7167(2017)08-0060-04