一种雷达罩通风方式的仿真分析及试验验证

陈红超，邵飞，李栋，林芃

中国舰船研究设计中心，上海201108

0 引 言

考虑到隐身性需要，现代舰船上露天布置的大型雷达需要安装封闭式雷达罩，而雷达阵面的电子元器件工作时会发热，在封闭空间内，若散热不及时，会导致阵面过热和环境温度过高，从而使雷达电子元器件的工作效率下降。对于超出规定范围的温度，每增高10 ℃，雷达工作效率就会下降约2.0%［1］。此外，雷达设备在罩内的空间占比大（约60%），雷达阵面在转动以及发射雷达波时，不允许发射阵面前有遮挡，而传统设计的通风空调方式易对雷达波发射产生干扰或遮挡，不仅影响了雷达性能，而且也难以满足封闭式雷达罩内的热环境控制要求。

针对雷达罩的工作特性以及罩内的热环境控制要求，张娟等［2］构建了雷达罩的仿真模型，通过计算雷达罩表面的热分布，将流场计算得到的温度值插值到对应的热应力分析模型中；文献［3-7］对雷达罩本体结构的壁面厚度、电性能、材料、隐身性等进行了研究，且主要偏重于提高雷达罩本体的功能特性。然而，国内目前还缺乏针对雷达罩内温度场及相应通风空调方式的研究。

因此，本文将针对封闭式桅杆雷达罩的通风空调设计，按照水面舰船桅杆通风区温度控制的规范要求，以某试验用封闭雷达罩为对象，结合我国水面舰船雷达隐身设计要求，开展雷达罩内环境温度控制的仿真及数值计算，提出一种既能控制雷达罩内温度又不影响雷达工作性能的通风空调方式，并验证其实际效果。所提通风空调方式，对于提高我国水面舰船的相关技术水平具有重要意义。

1 雷达罩通风空调设计方案

1.1 研究背景

图1 所示为某试验用舰船桅杆顶部的雷达罩布置。由图可见，雷达安装在基座上，整个雷达和基座被封闭在雷达罩内。雷达阵面在罩内转动并对外发射雷达波，为保证雷达能正常工作，参考相关规范对水面舰船桅杆通风区的温度控制要求［8］，雷达罩内的温度被控制在37 ℃。雷达罩总的热负荷为6 373 kcal/h，其中传导热量为1 643 kcal/h，设备发热量为4 730 kcal/h，雷达罩内空调设计送风温度为20 ℃（温差为17 ℃），计算需要的空调风量约1 300 m3/h。如果要控制封闭式雷达罩的温度，需采取适当的送风方式，将空调风均匀地送入雷达罩内，并及时带走罩内的热量。但因雷达罩的结构特殊，其类似于球形，风管无着力点，使得风管沿雷达罩边壁布置会干扰雷达波的发射，进而影响雷达的性能。因此，采取何种通风方式就成为了封闭式雷达罩内环境控制的核心。

图1 雷达罩示意图Fig.1 Schematic diagram of radome

1.2 通风空调设计

因为设计风管时既不能在雷达阵面周围布置，也不能沿雷达罩的边壁布置，所以只能采取自下而上的通风方式。而将风管围绕雷达基座一圈布置，虽然能满足自下而上的送风要求，但却难以保证送风的均匀性。结合现场的实际情况，设计出了一种舰船雷达罩的通风空调方式，亦即将空调风管接入雷达基座腔体，在腔体的壁面设置送风口，利用该腔体作为静压箱送风，由设置在顶部的排风机抽风，从而形成稳定的自下而上的单向流，并及时带走雷达阵面的热量，以达到控制雷达罩内温度的目的。舰船雷达罩通风原理如图2 所示。该空调通风方式结构紧凑，占用空间小，气流组织良好，可以有效控制罩内的温度。

图2 雷达罩通风原理图Fig.2 Ventilation diagram of radome

2 仿真分析

2.1 物理模型

借助CFD 可以准确模拟密闭空间内的气流组织。陈红超等［9］采用仿真和实测方法模拟了新型密闭式桅杆的空调系统，结果显示，仿真与实测平均温度误差可控制在2.6%。

本文以某试验用封闭式雷达罩为模型，开展雷达罩通风空调方式的仿真分析，建立雷达罩通风空调系统1∶1 的物理模型，并对模型进行了如下简化：

1）雷达模型简化为两个发热阵面，忽略雷达的支撑结构；

2）忽略空调风送入雷达基座腔体的过程，仿真中等效为空调风从基座送风口直接送出；

3）忽略雷达转动对舱室平均温度的影响，仿真中假设雷达直接对外发射；

4）雷达排风机等效为封闭式雷达罩顶部的排风口。

通过对模型的简化处理，建立了整个封闭式雷达罩通风系统物理模型，如图3 所示。

图3 雷达罩空调通风物理模型Fig.3 Physical model of air conditioning and ventilation for radome

2.2 数值模拟模型

连续性方程：

式中：x，y，z为三维坐标系下的方向坐标，m；t为时间，s；u，v，w分别为x，y，z方向的气流速度矢量，m/s；ρ为空气密度，kg/m3。

动量守恒方程：

式中：U 为速度矢量，m/s；μ为黏性系数，kg/（m2·s），p 为压强，Pa；g为重力加速度，m/s2。

能量守恒方程：

式中：cp为比热容，J/kg·K；T 为温度，K；k为流体的传热系数，W/（m2·k）；ST为流体的内热源，即黏性耗散项，kg·K/（m3·s）。

因为封闭式雷达罩内雷达阵面工作时产生的热量非常大，所以本文构建的模型模拟的流场属于强制对流场。而对于封闭空间内的对流过程计算，密度场计算是关键。本文对密度的处理采用了Boussinesq 模型，湍流模型则选用了低雷诺数的k-ε模型，该模型对于近壁面的高热流量梯度与近壁面函数一样都有很好的适应性，而且在湍流区与标准k-ε模型一样有很高的精度。封闭式雷达罩空调通风的温度场的仿真边界条件为：入口边界Velocity-inlet，出口边界Pressure-out，雷达罩外壁面wall。

2.3 计算结果及分析

基于上述仿真模型计算夏季工况下封闭式雷达罩空调通风的温度场。其中，仿真条件输入如下：雷达罩内初始温度为35 ℃，送风温度为20 ℃，送风量为1 300 m3/h，雷达罩壁面温度为50 ℃。

仿真计算封闭式雷达罩的各关键剖面的温度分布。图4 所示为各典型剖面位置，包括距离基座底部1 000，3 330，5 500 mm剖面和垂直于雷达的2 个中间剖面，各典型剖面的温度分布如图5所示。

观察各剖面温度分布的情况。由图5 可见：各典型剖面的温度大多约为27 ℃，温度分布较均匀；靠近雷达阵面（图5（a）和图5（e））的局部温度偏高，约35 ℃，相比其他区域的温度，高了约8 ℃。经分析可知，这种现象是由雷达阵面热流密度大所导致。

图4 雷达罩典型剖面分布图Fig.4 Typical section distribution of radome

图5 典型剖面的温度分布云图Fig.5 Temperature distribution diagram of typical sections

图6 典型剖面平均温度分布图Fig.6 Average temperature distribution diagram of typical sections

3 雷达罩内热环境测试

为验证雷达罩通风空调方式的效果，如图7所示，在雷达罩垂直壁面安装了3 个温度传感器，分别距桅杆顶部1 000 和3 300 mm（靠近雷达阵面）以及距顶部剖面150 mm 处。这3 个传感器用于采集不同工况下雷达罩内的热环境参数，其现场布置如图8 所示。

图7 雷达罩温度传感器布置图Fig.7 Layout of the temperature sensors on the radome

图8 雷达罩上的温度传感器现场布置图Fig.8 Field layout of the temperature sensors on the radome

为验证仿真结果的有效性，依据雷达罩内的温度传感器布置的位置，在仿真模型中相同的位置取3 个测点，考虑到实际雷达阵面在转动，若只取3 个测点，得到的温度可能会有偏差，故在雷达模型的另一侧选取3 个测点，以与原来的3 个测点相对应，如图9 所示。

图9 雷达罩测点布置图Fig.9 Layout of test points on the radome

本文取6 个测点的温度平均值为实测温度，图10 所示为雷达罩内的仿真和实测温度随时间的变化曲线。由图10 可见，仿真和实测温度曲线下降的趋势基本一致，温差也控制在±0.5 ℃以内。可见，通过选取2 组对称测点，可弥补简化的雷达罩仿真模型中“忽略雷达转动”对舱室平均温度的影响，验证了仿真模型的有效性。

考虑到雷达全负荷发射时温度传感器会对雷达波产生干扰，所以对基座通风效果进行了试验验证，并只选择在雷达半负荷工作时开展。试验工况如下：首先开启空调设备，直至雷达罩内的平均温度与罩外温度一致；然后关闭空调设备，雷达处于半负荷工作状态，以使罩内温度稳步上升，当趋于稳定后，再开启空调设备开始制冷。试验数据记录如下：空调送风温度5.07 ℃，风量1 300 m3/h。图11 为空调设备开启前的外界环境温度分时图，图12 为整个试验过程中雷达罩内的温度分时图，图13 为开启空调设备后雷达罩内测点的温度分时图。

图11 雷达罩外界环境温度随时间的变化曲线Fig.11 Curve of environmental temperature of radome with respect to time

图12 雷达罩内温度随时间的变化曲线Fig.12 Curve of internal temperature in the radome with respect to time

图13 雷达罩内测点温度随时间的变化曲线Fig.13 Curve of internal temperature at measuring points in the radome with respect to time

由图11 和图12 可见：雷达罩的外界温度稳定在10～15 ℃时，雷达罩内的温度呈缓慢上升趋势，趋于稳定后（17.76 ℃），开启空调通风设备，雷达罩内的温度开始迅速下降。

由图13 可见：雷达罩内温度40 min 内下降了3.16 ℃，之后温度下降的趋势变缓，雷达罩内温度在12.9 ℃趋于稳定。

基于上述试验数据，可以看出雷达基座的通风空调方式可快速降低雷达罩内的温度。例如，在外界环境温度与雷达罩内的温度相当时，可以不考虑外界的传热，雷达罩的温升可仅考虑设备发热量；若雷达处于半负荷运行状态时，雷达罩内送、排风温差为7.83 ℃，此时则可以估算出雷达在满负荷运行状态时，雷达罩内的送、排风温差为15.66 ℃；若外界温度较高时，外界传导热（设备发热量是传导热的2.88 倍）带来的温差为5.43 ℃，此时计算得到的雷达罩内平均温度约为26.16 ℃（送风温度5.07 ℃+设备发热量引起的温差15.66 ℃+传导热引起的温差5.43 ℃）。因此，本文设计的雷达罩基座通风方式完全可以满足温度控制的要求。此外，在实际运行中（温度传感器拆除），雷达满负荷发射雷达波时，雷达均能正常工作，这也验证了该雷达罩的基座通风方式完全符合雷达的使用要求。

4 结 语

本文针对雷达罩的高发热量和环境控制要求，设计了一种舰船封闭式雷达罩的通风空调方式，模拟分析了在此方式下雷达罩内的温度场，并通过实测数据验证了通风空调的温度控制效果。结果表明，该雷达基座通风空调方式完全可以满足雷达罩的环境温度控制要求，并具有如下优点：1）可以形成稳定的自下而上的气流，及时带走雷达阵面运行所产生的热量，且温度分布均匀。2）雷达基座结构设计紧凑，节省空间。作为一个送风静压箱，其出风口和进风口均设置在基座上，从而实现了雷达罩内无风管送风，避免了雷达转动或者对外发射造成对雷达波的反射及遮挡。本文所设计的雷达基座通风空调方式可以应用到新型封闭式桅杆雷达罩的通风空调设计中，其运行方式安全、可靠，设计方法有较高的借鉴意义，可为提高现代舰载雷达的隐身设计提供技术支撑。