GJB 150.8A淋雨试验解读及淋雨试验探讨

2021-08-16杨冬甫罗兰刘纲玲

装备环境工程 2021年7期

杨冬甫，罗兰，刘纲玲

（1.重庆哈丁环境试验技术股份有限公司，重庆 401533；2.西南技术工程研究所，重庆 400039；3.中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036）

用于替代GJB 150.8—86《军用设备环境试验方法淋雨试验》的GJB 150.8A—2009《军用装备实验室环境试验方法第8部分：淋雨试验》已经颁布十多年了，作为与2000年1月颁布的MIL-STD-810F等同的试验方法，GJB 150A增加了“滴水高度应确保水滴的终速度均为9 m/s”的要求。这一变动使原有满足GJB 150.8—86的试验设备不能满足新的试验方法需求。

美国2019年颁布了MIL-STD-810H，文中通过自然降雨形成和水滴运动分析该要求的合理性，提出了国内标准修订换版的建议，并对目前淋雨设备的现状进行探讨。

1 自然降雨

1.1 降雨的形成

水汽在高空遇到冷空气便凝聚成云滴（通常把半径小于100 μm的水滴称为云滴，半径大于100 μm的水滴称雨滴。标准云滴半径为10 μm，标准雨滴半径为1000 μm）或冰晶，云滴和冰晶的体积很小，不能克服空气阻力和上升气流的顶托，在空中聚成了云。

由液态水滴所组成的云体称为水成云；由冰晶组成的云体称为冰成云；由水滴和冰晶共同组成的云称为混合云。云滴和冰晶通过不断凝结、凝华，吸收周围水蒸气和水滴碰撞合并，体积约增大100多万倍后，云滴或冰晶增长到能克服空气阻力和上升气流的顶托，并且在降落至地面的过程中保持液态时，才成为降雨。

1.2 降雨的分类

降雨强度指单位时间内的降雨量，以mm/min或mm/h计。中国天气预报中的日雨量为08~08时24 h降雨量，降水等级划分见表1。

表1 降水等级划分Tab.1 Rainfall classification mm

1.3 雨滴

1.3.1 雨滴形状

表面张力作用使水滴成圆球形——表面积尽量小，但雨滴在降落过程中，水滴还要受重力、空气阻力的作用。雨滴越大，这些影响作用越突出。一般情况下，小雨滴（直径＜0.25 mm）为近似球形，大雨滴（直径＞5.5 mm）开始为纺锤形，如图1所示。大雨滴在下降过程中，因受空气阻力作用而呈扁平形，两侧微向上弯曲，雨滴不稳定，极易发生碎裂或变形，称暂时雨滴。把直径≤5.5 mm、降落过程中比较稳定的雨滴称稳定雨滴。自然降雨强度与雨滴平均直径的关系见表2。

图1 雨滴形状Fig.1 Raindrop shape

表2 降雨强度与雨滴平均直径Tab.2 Rainfall intensity and average diameter of raindrops

1.3.2 雨滴直径和终速度

雨滴在静止空气下落过程中，受到重力、空气浮力和空气阻曳力的作用。浮力仅约为重力的0.1%，计算雨滴终速度时，浮力可以忽略。

受重力加速度作用，雨滴在空气中的降落速度最初是逐渐增大的。随雨滴降落速度的增大，空气阻力也逐渐增大，则雨滴的加速度逐渐减少，最后减为0。这时雨滴的降落速度达到最大值，称为雨滴终速度。雨滴大小不同，终速度也不同。

2009年3月21日使用激光降水粒子谱测量的雨滴尺寸与终速度的数据如图2所示[7]。图2中粗实线是利用D-V经验公式Vt=9.65‒10.3exp(‒0.6D)计算的结果。在标准大气条件下，模拟仿真的雨滴直径与终速度关系见表3[9]。由表3可以看出，毛毛雨（直径0.5 mm）的收尾速度为2 m/s，而暴雨（雨滴最大直径为5.5 mm左右）的雨滴最大收尾速度才能达到9 m/s。

表3 雨滴数值模拟Tab.3 Numerical simulation of raindrop

图2 雨滴直径和终速度关系（点表示例子个数分布，等值线表示粒子浓度）Fig.2 Relationship between raindrop diameter and final velocity

1.3.3 雨滴行程

雨滴大小不同，达到终速度所需的行程也不同。通过模拟仿真给出了0.5~6 mm雨滴降落时间、高度、极限速度的关系，见表4[8]。

劳师1941年实验结果：直径1.25 mm的雨滴，达到终速度，降落高度需要8 m；直径2 mm的雨滴，降落高度需要20 m；雨滴直径6 mm的雨滴，达到终速度，降落高度需要20 m以上。

分析表明，雨滴降落高度＞10 m时，所有雨滴的速度都达到雨滴终速度的95%以上。因此模拟降雨时，雨滴降落高度在10 m以上才比较合理，并且雨滴的大小和组成尽量与天然降雨相近。

1.4 降雨危害

GJB 150.8A—2009《军用装备实验室环境试验方法第8部分：淋雨试验》中给出了淋雨的环境效应。

1）大气中环境影响。包括干扰或破坏无线电通信，限制雷达的有效性。由于能见度低，使飞机操作受到限制和使翼面升力降低（只在暴雨期间），损坏飞行中的飞机。影响炮和导弹的发射。降低光学装置能见度和光学观测效果，甚至无法进行光学监测。降低户外工作效率，引起引信误动作等。

2）雨扑击。淋雨碰撞冲蚀装备表面。

3）积雨/渗透。包括造成某些材料的强度降低，泡胀、锈蚀的可能性增大，腐蚀甚至生长霉菌，增加设备质量。使电气和电子设备不能工作或不安全，电气设备失效。装备内部结冰，可能会由于元器件膨胀或破裂造成缓慢性能退化和功能失效，改变换热，使推进剂燃烧减慢等。

2 人工模拟淋雨试验

2.1 淋雨试验目的及相关标准

淋雨试验是人工模拟降雨的手段，目的在于确定下列与淋雨、水喷淋和滴水有关的环境影响：保护罩、外壳和密封垫的有效性；设备在淋雨暴露期间或之后满足其性能要求的能力；设备由于淋雨造成的物理损坏；雨水排除装置的有效性；检验包装的有效性。

目前国内应用较多的淋雨试验相关标准和方法有：GJB 150.8A—2009《军用装备实验室环境试验方法第8部分：淋雨试验》、GB/T 2423.38—2008《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验R：水试验方法和导则》、GB 4208—2017《外壳防护等级（IP代码）》、GJB 4.13—1983《舰船电子设备环境试验-外壳防水试验》、JJF 17—2012《淋雨试验设备校准规范等》。

2.2 GJB 150.8A—2009淋雨试验解读

GJB 150.8A—2009淋雨试验包含了程序Ⅰ（降雨和吹雨）、程序Ⅱ（强化）、程序Ⅲ（滴水）三种试验方法。适用于评价在贮存、运输/工作期间可能暴露于淋雨、水喷淋或滴水下的设备。

2.2.1 程序Ⅰ

适用于户外使用且没有防降雨和吹雨措施的设备，是模拟自然界降雨的试验。

2.2.1.1 雨滴产生

GJB 150.8A—2009没有限定雨滴产生的方式，但采用水分配器时，给出了终速度9 m/s的要求。程序Ⅰ淋雨和吹雨雨滴的产生应按照淋雨试验对象的危害机理和试验目的选择雨滴产生方式。考虑雨滴谱雨滴直径和降雨强度的关系，程序Ⅰ降雨强度为102 mm/h时，雨滴的平均直径为2.75~3.0 mm，采用水分配器更合适。稳态雨采用水分配器时，去掉聚乙烯管，减小水滴直径，在程序Ⅲ滴水试验时，再加大直径。使用喷嘴需考虑水滴直径小、喷雾水滴速度矢量方向不一致等因素影响。

受喷嘴雾化原理、孔径等影响，很难给出水压和雾滴直径的准确关系，但可以明确随着压力的升高，雾滴直径会变小。如孔直径0.5 mm的喷嘴在压力为0.5 MPa时，候雾滴直径为1~2 mm。如使用喷嘴，应考虑降低喷嘴压力，尽量增大雨滴直径，同时合理布置喷嘴位置，降低吹雨试验时水滴速度矢量方向不同的影响。

2.2.1.2 吹雨-角度

GJB 150.8A—2009中规定：根据试件布置风源位置，以使雨水具有水平方向到45°的变化，并均匀扑打在试件一侧面。水平风速应不小于18 m/s，在试件放入试验装置前于试件处测量。GJB 150.8—86中规定：雨滴由喷头产生，雨滴直径为0.5~4.5 mm；风源相对于试验样品方向，应使雨从水平方向变到45°角均匀地对试验样品一侧面吹打。雨滴初速度、吹风、重力作用下呈45°角扑击在试件侧面，标准中未给出允许偏差范围，而且滴雨运动角度测量难度大，实施困难。

2.2.1.3 预热

试件与雨水之间的温差能影响淋雨试验的结果。对密封的试件，在每个暴露周期开始时，应使试件温度加热到高于水温10 ℃，使试件内部产生负压，可更好地检验试件密封效果。

2.2.1.4 吹雨-转动

风吹雨对垂直暴露表面的影响通常比水平表面的影响更大，而对垂直或接近垂直方向的雨而言，其影响则正好相反。为使所有表面都暴露于试验条件下，试验时试件应转动。

GJB 150.8A—2009试验步骤中规定，预热后一侧面吹风30 min后转动试件，预热后，再转动试件。对热容量较小的试件，试件内产生负压的效果不理想，且实际应用中实际可操作性不强。

吹雨模拟3种使用状态：试件静置，自然界风吹雨形成不同角度；车载外装试件移动，无风时，雨扑击产品的角度变化；前两种状况叠加。因此可以应该根据试件外形、具体安装应用条件选择以下3种方式：

1）四侧面分别进行预热-吹雨-转90°，适用于所有侧面均暴露的类似矩形试件。

2）部分侧面进行预热-吹雨-转90°，适用于部分侧面均暴露的类似矩形试件。

3）预热后边吹雨边旋转，特别适用于侧面均暴露的外形非类似矩形的试件，也适用于状况1）。

2.2.1.5 试验用水

GJB 150.8A—2009要求：除另有规定外，淋雨试验所用水可以使当地水源的水。但标准中未规定水循环使用时的水质要求。

2.2.2 程序Ⅱ

强化不是模拟自然降雨，而是考核受试设备防水性，为设备的防水性提供一个较高的置信度。适用于大型受试设备，有风源的淋雨试验不能满足试验要求时采用。

2.2.2.1 雨滴尺寸

GJB 150—86中雨滴直径为2~4.5 mm，GJB 150A—2009将雨滴直径改为0.5~4.5 mm是比较合理的，2019版的MIL-STD-810H该指标同为500~4500 μm。喷嘴雾化水颗粒直径一般在2 mm以内，压力越高，颗粒直径越小。

2.2.2.2 水压

GJB 150A—2009要求：可按技术文件规定适当改变压力，但最小喷嘴压力为276 kPa。GJB 150.8—86要求为375 kPa。

基于伯努利方程，喷嘴流出速度为：

式中：Cv为喷嘴效率，取0.95；P为喷嘴前压力，Pa；ρ为水滴密度，kg/m³。

根据式（1），表压为276 kPa时，喷嘴水滴速度为22.3 m/s；375 kPa时，达到26.0 m/s。考虑喷嘴到被测试件表面行程中，水滴速度受空气阻力影响的衰减，喷嘴压力为276 kPa时，水滴速度为18 m/s左右。

2.2.2.3 喷嘴

GJB 150A—2009中明确喷嘴间距（平面二维间距，x、y轴两个方向的间距）为71 cm×71 cm，距离试件表面距离：侧面为48 cm，顶部为81 cm。但对喷嘴的类型（例如实心锥是圆形还是方形、扩散角等）没有给出明确要求，不利于提高淋雨试验的一致性和复现性。

2.2.3 程序Ⅲ

程序Ⅲ滴水不是模拟降雨，是针对有防雨措施但可能由于冷凝或上表面可能有泄漏产生滴水的设备。

2.2.3.1 水滴

GJB 150.8A中4.3.3条规定：“程序Ⅲ采用分撒管（见图1），分撒管外套聚乙烯套管，降水滴增大到最大限度”。

GJB 150.8A中规定“使用试验装置应能提供大于280 L/(m2·h)的滴水量……采用的滴水高度应确保水滴的最终速度约为9 m/s”，但7.2.3程序Ⅲ的步骤中要求“承受高度不小于1 m的降雨15 min”。实际应用中，水滴的最终速度与降雨高度只能兼顾其一。

2019版的MIL-STD-810H METHOD506.6的4.1.3 Procedure Ⅲ-Drip中，已经去掉雨滴速度9 m/s的要求，使用规定的滴水高度（不小于1 m），从试验样品的上主表面开始测量。

GJB 150.8A中6.1.3规定的最终速度约为9 m/s，不符合试验目的要求。7.2.3中的降雨应为“滴水”。

2.2.3.2 分配器

GJB 150.8A和MIL-STD-810中均给出了同样的两种水分配器方案，如图3、4所示。

图3所示的针头式简易装置给出了水深和滴水速度的关系，能满足程序Ⅰ和程序Ⅲ对水滴直径和水量的要求。图4分配器适用于程序Ⅲ，水滴直径大，可能超出程序Ⅰ的直径要求。

图3 稳态淋雨和滴水试验简易装置Fig.3 Simple device for steady rain and drip test

图4 滴水试验水分配器Fig.4 Water-distributor of drip test

程序Ⅲ的水滴直径最大限度可以达到5 mm以上，超过程序Ⅰ雨滴直径0.5~4.5 mm的要求。因不能使用相同的分配器，采用简易装置时需要加装聚乙烯管增大水滴直径。

3 淋雨设备现状

3.1 国产设备

由于市场需求相对较小等原因，淋雨试验箱没有引起国内大型气候环境试验设备行业厂家的重视，产品研制技术水平普遍较低，不能完全满足试验标准要求。国内一家环境试验设备厂家生产的淋雨试验箱的技术规格（部分）见表5，外形如图5所示。

图5 国产高风速淋雨箱外形Fig.5 Appearance of domestic rain chamber with high wind speed

表5 国产淋雨试验箱技术规格Tab.5 Technical specification of domestic rain chamber

分析技术参数数据可以发现以下问题：

1）产品属性中满足GJB 150.8—86 淋雨试验，但防水试验水压已按照GJB 150.8A—2009更新为276 kPa。

2）风速5~18 m/s（转台进风处中心水平风速），与JJF 17—2012《淋雨设备校准规范》不一致。

3）防水性试验“雨滴直径2~4.5 mm”，喷嘴雾化水滴直径大部分在2 mm以内，是GJB 150.8—86 的要求，严格验收会不合格。

4）滴水盘面积为760 mm×760 mm，滴雨距离为1 m。滴雨速度不满足GJB 150.8A—2009降雨试验要求，考虑内箱高度1.6 m及转盘高度，能做滴水试验的试件高度仅500 mm左右。

5）总功率为24 kW，如果严格按照GJB 150.8A—2009设计，风机风口尺寸应与工作室深×宽相同，即1.5 m×1.5 m，18 m/s风速时，风量为145 800 m³/h，风机轴功率＞90 kW，电机功率达到132 kW。根据功率分析，吹风口规格不能满足标准要求。

综上所述，产品既不能满足GJB 150.8—86的要求，也无法满足GJB 150.8A—2009的要求。

由于GJB 150.8A中在降雨和滴水中都规定“滴水高度应确保水滴的终速度均为9 m/s”，国内有厂家将滴雨盘安装到试件上表面4.5 m高处，希望借助重力加速度使雨滴速度达到9 m/s。这忽略了雨滴直径和空气阻力的影响，实际雨滴直径较小时，终速度达不到9 m/s，雨滴直径较大时，行程高度又远远不够，也无法达到这一要求。