Research on the Static Magnetic Field of Ships with Corrosion and Anticorrosion Efficacy Using Electric Dipole Model

In the case of three-layered(air-seawater-seabed)model,the analytical expressions of the static electric and static magnetic field produced by the static electric dipole located in seawater were derived by using the mirror image theory.Combined with the distribution of the underwater electric potential measured in laboratory,an electric dipole model for physical scale of ship was established and the distribution characteristics of an actual ship' s corrosion related magnetic field were obtained.Based on established models,theoretical analysis and calculation were made to catch out the distribution characteristics of static magnetic field related with corrosion and anticorrosion,which can not be measured directly in seawater.The results show that the static magnetic field related with corrosion and anticorrosion is a kind of noteworthy obstacle signal for degaussed ships.

舰船腐蚀相关静态电场水下电位特征研究

为深入分析舰船静电场信号特征,在船模试验和海上平面电位测量阵列实测数据的基础上,对舰船腐蚀相关静态电场水下电位特征进行研究。首先根据船模试验分析了阴极保护系统工作下的舰船静电场信号特征,发现阴极保护系统对静电场信号的量级影响较大;其次对海上实测数据获得的典型舰船水下电位信号进行时域和频域上的分析,结果表明,静电场能量主要集中在0~0.1 Hz频段内;最后根据水下电位分布规律,发现以12 dB作为检测门限时,在240 m以浅深度,相邻传感器之间的距离不大于320 m时,传感器阵列才能准确探测水面等效源强度为10 A·m的舰船电场。

浅海中潜艇腐蚀相关静态电磁信号特征

来源于腐蚀及防腐电流的静态电、磁信号是潜艇水下新的重要目标特性。为掌握其水下分布特征,采用三层平行分层导电媒质中的水平直流电偶极子对其进行建模。结合水平直流电偶极子全空间中的电场、磁场表达式的推导,通过数值仿真计算,对比分析海水中腐蚀相关静态电场及静态磁场的分布特征及远场衰减规律。分析表明:浅海中潜艇腐蚀相关静态电场近场量值大,分布特征明显,适合做水中兵器引信的信号源;磁场远场按距离的平方反比衰减,可用于潜艇的远程探测和定位。

基于电偶极子的舰船腐蚀防腐相关静态磁场研究

借助镜像法推导了在空气—海水—海床3层模型中,位于海水中的静态电偶极子在海水区域中的静态电场和磁场分布的解析表达式。并以此为基础,结合实验室中的一次船模腐蚀防腐静态电场的测量结果,对舰船静态电场进行电偶极子建模。然后以此数学模型为基础,对船模的腐蚀和防腐相关静态磁场进行理论分析和计算,结合缩比模型理论,可以得到实际舰船无法直接测量的海水中的腐蚀和防腐相关静态磁场的分布特征。分析结果表明该部分静态磁场对消磁舰船而言,是值得重视的目标信号。

基于电流线等效的潜艇磁场估算与仿真

根据潜艇水下腐蚀相关电磁信号的产生机理,该文提出可采用由电偶极子首尾相接而成的电流线对其进行模拟。分别采用边界元建模及电流线建模方法对潜艇模型的水下静态电场进行计算,对比分析结果表明,将电流线作为对潜艇水下腐蚀相关静态电磁信号进行估算的数学模型是可行的。在此基础上,结合分层导电媒质中水平直流电偶极子的磁场表达式,对潜艇腐蚀相关静态磁场在全空间中的分布特征进行了仿真分析。结果表明,空气中潜艇腐蚀相关静态磁场近场量值可测,分布特征明显,可用于航空探潜;海水中潜艇腐蚀相关静态磁场远场按距离的平方反比衰减,可用于消磁潜艇的远程探测。分析所得典型结论为进一步的应用研究奠定了基础。

基于混合模型的舰船腐蚀相关静态电、磁场

为研究舰船水下腐蚀相关静态电场、磁场的分布特征,提出了以舰船水下标量电位为线索,对舰船进行混合建模,即将舰船等效为水平电流线和离散三分量电偶极子的组合,通过测量舰船下方某平面上的标量电位分布,对混合模型中的未知结构参量进行拟合,以建好的混合模型为基础对舰船水下腐蚀相关静态电、磁场进行研究.在实验室中模拟海洋环境,利用1∶100船模对建模方法进行了验证,并以建好的混合模型为基础,计算了船模水下腐蚀相关静态电、磁场的分布特征.实验结果表明混合模型结构简洁、实测数据量小、建模计算量小、模型稳定,比较适合用于舰船腐蚀相关静态电、磁场分布特点的研究.

基于点电荷模型的腐蚀相关静电场快速预测方法研究

针对舰船腐蚀相关静态电场实时预测难的问题,提出了基于点电荷(电极)模型的快速建模方法。对舰船的结构进行合理分区,通过计算混合电位值确定电极的极化状态;在电极极化曲线及电化学系统电流和为0的准则基础上,建立了点电极电位和电流之间的函数关系;利用最小二乘算法计算点电极的电流值,并根据点电荷3层模型下的电位计算方法预测舰船腐蚀相关静态电场;分别利用仿真数据和船模试验数据对所提方法的有效性进行了检验。结果表明,所提方法能够实现对舰船腐蚀相关静态电场进行快速预测。

分层海洋环境对潜艇腐蚀相关静态电磁信号的影响研究

来源于腐蚀及防腐电流的静态电、磁信号是潜艇水下新的重要的目标特性.为掌握分层海洋环境对其水下分布特征的影响,采用三层平行分层导电媒质模型模拟海洋环境、水平直流电偶极子模拟潜艇腐蚀相关电磁场源,通过数值仿真,研究环境电导率、海洋水深、分层界面等因素对潜艇腐蚀相关静态电场和静态磁场的影响.仿真分析结果表明,分层海洋环境对场有明显影响,且存在普通规律.

深海中潜艇腐蚀相关磁场全空间分布特征分析

为分析深海中潜艇腐蚀相关磁场的分布特征,采用静态电偶极子对场源进行模拟,采用空气-海水2层模型对深海环境进行模拟,在利用镜像法求出全空间标量电位分布的基础上,利用标量电位和矢量磁位之间的约束关系,求解得到全空间中腐蚀或防腐电流所产生的磁场分布,并证明所得场分布是满足场方程及边界条件的。最后采用数值计算的方法对磁场空间分布特征进行了分析,结果表明:深海中的潜艇由于腐蚀及防腐措施在空气及海水中激发的静态磁场分布特征明显,是值得重视的探测或打击信号源。特别是场分量按距离的平方反比衰减,相对于铁磁材料所产生的磁场衰减要慢,有利于远程探测。研究结果为进一步的实际应用奠定了基础。

浅海中潜艇腐蚀相关静态磁场特征预测

为对浅海环境中潜艇腐蚀相关静态磁场进行特征预测,采用3层平行分层导电媒质模型模拟浅海环境,采用水平直流电偶极子模拟场源。推导了水平直流电偶极子在全空间中的磁场分布表达式,在此基础上,采用数值仿真的方法分析海水中腐蚀相关静态磁场的分布特征及远场衰减规律,并进一步分析海洋环境,如海床电导率、海水深度、空气-海水界面等因素对场的影响。分析结果表明:浅海中潜艇腐蚀相关静态磁场量值可测,分布特征明显,远场按距离的平方反比衰减,是值得重视的探测或打击信号源;由于导电媒质中空间电流的影响,电导率小于海水的海床媒质使海水中的总磁场略有增强,而空气-海水界面则使其略有减弱。研究结果为进一步的实际应用奠定了基础。

层流介质中曲面螺旋桨旋转对腐蚀静电场的影响

为了研究实际海水环境下螺旋桨转速及海水流速对舰船腐蚀静电场的影响,提出了一种层流介质条件下腐蚀静电场的求解方法.结合流体力学及电化学相关理论,建立层流状态下的曲面螺旋桨旋转模型,利用动量积分法和电化学方法分别求解层流介质下曲面桨叶表面的边界层厚度和极限腐蚀电流密度,基于该电流密度建立电偶极子模型对腐蚀静电场进行求解,并通过实验验证结论的正确性.结果表明:层流状态下,静电场的幅值大小随着螺旋桨转速及介质流速的增加而增加,在流速及转速较小时,理论数据与实验数据拟合程度较好.

舰船自然腐蚀时腐蚀相关电场场源等效方法研究

为解决舰船腐蚀相关电场场源等效问题,从产生机理出发,根据实际舰船结构、海洋环境等条件,提出了舰船自然腐蚀时腐蚀相关电场场源的具体等效方法。该方法的基本场源为沿一定方向放置的异种金属对,并按一定方法将其等效为电偶极子或电流线。在实验室条件下,模拟海洋环境和舰船自然腐蚀时的基本场源,对该场源等效方法的正确性进行验证,验证过程中特别考虑到水域周边岸壁边界的影响。结果表明:所提出的场源等效方法是正确的,可用于对舰船自然腐蚀时水下腐蚀相关电场的分布特点进行预估,也可为舰船水下电场的其他应用提供理论依据。

潜艇腐蚀相关静态电磁场分布规律的实验验证

为对浅海环境中潜艇腐蚀相关静态电、磁场分布规律进行实验验证,根据场产生机理,提出对电场、磁场分布进行同步验证的实验方法,即同步测量水下2个深度平面上场源产生的标量电位及一条测线上的三分量磁感应强度,利用其中一个平面上的标量电位分布反演出场源参数,再据此预测另一平面上的标量电位及测线上的磁场分布,通过比较预测值与实测值,表明理论分析方法及结论的正确性.并在实验室中模拟三层平行分层浅海环境,借助潜艇缩比模型完成了上述实验验证过程,表明浅海中潜艇腐蚀相关静态电磁场分布规律的正确性.

海床倾斜水域潜艇水下标量电位分布特征分析

为探索潜艇处于复杂水域时水下标量电位的分布,将海床倾斜水域作为切入点,在利用镜像法推导出海床倾斜水域潜艇水下标量电位的分布表达式后,对水下电位的分布特征进行仿真分析,并与传统平行分层环境下电位分布进行对比。研究表明:海床倾斜水域潜艇水下电位分布特征明显,量值可观,可用于潜艇的探测与定位;小角度范围内,改变海床倾斜角度和海水电导率,所研究水域电位分布特征的区域性不变,其量值随海床倾斜角度增大呈线性增加,随海水电导率增大呈非线性衰减;相比于平行海床水域,海床倾斜时不存在电位为0的场点,且沿偶极矩方向的对称性丧失。研究结果为进一步研究更为复杂水域潜艇腐蚀相关电场的场分布问题奠定了基础。

电偶腐蚀下非稳态扩散瞬时静电场分析

为分析在浓差极化条件下非稳态过程中的静电场分布情况,在斐克第二定律的基础上利用拉普拉斯变换求解电极表面氧浓度随时间的变化。通过法拉第定律分析受氧浓度控制下的电偶腐蚀电流密度,在此基础上利用电流元模型求解电解质溶液中任意位置处产生的瞬时电位及静电场强度,并通过实验验证结果的正确性。结果表明:浓差极化下的非稳态扩散传质产生的静电场及电位会随着时间的增加而逐渐减小,并最终达到稳态,且电流密度会随着氧的浓度减小而减小。

基于有限元的水下航行器腐蚀静电场特性分析

基于电化学腐蚀理论,介绍了通过有限元方法对水下航行器静电场进行仿真建模的方法及过程。通过典型算例分析了水下航行器的静电场分布特性,为基于水下电场特征控制的舰船隐身提供理论基础和数据支撑。

舰船腐蚀相关轴频电磁场场源建模

为了开展轴频电磁场场源建模研究,根据舰船水下腐蚀相关轴频电磁场信号的产生机理,借鉴极低频发信台的建造原理,提出了以海水、螺旋桨、转动轴、船壳、辅助阳极等形成的闭合回路为线索,对舰船进行电流环建模,即将轴频电磁场场源等效为由转动轴作弦与趋肤深度相关的曲线组成的闭合曲线。进行了验证试验,试验结果表明:腐蚀相关轴频电磁场场源不仅是辅助阳极和螺旋桨之间的电流线,还包括海水中分布的空间电流;基于电流环模型的轴频电磁场产生机理模型与试验结果具有很好的一致性,该模型为轴频电磁场建模及传播规律研究提供了一个新的思路和方法。

舰船轴频电场产生机理及控制技术

为了减小舰船轴频电场信号,在深入分析尾轴结构的基础上,建立轴频电场等效电路模型,明确碳刷和滑环接触电阻的波动是轴频电场产生的主要因素。在对主动式轴接地(Active Shaft Grounding,ASG)系统原理进行分析的基础上,研制了原理样机,并进行了实验室船模试验和海上实船试验。试验结果表明:所研制的ASG系统能有效抑制滑环和碳刷接触电阻变化所引起的轴频电场信号,抵消效果可达90%以上,且当轴地等效电阻在回路中的比例较大时,ASG系统开启后,将导致静电场信号增加。对ASG系统输出电流的影响因素进行分析,结果表明:ASG系统的最大输出电流与阴极保护状态密切相关,与航速关系不大。

减小舰船静电场的隔离电阻估算方法

采用电隔离措施是减小舰船腐蚀静电场的重要方法之一,为了解决电隔离措施方法中根据目标电场估算出最小隔离电阻大小的关键技术问题,首先,建立船体异种金属材料之间的电化学腐蚀电路模型;其次,在点电极理论基础上,建立了绝缘船体和非绝缘船体2种条件下异种金属材料下方的电场值和腐蚀电流的关系,并得到了最小隔离电阻与电场值之间的函数表达式;最后,利用边界元仿真软件对所提方法的正确性进行检验,结果表明,所提方法能够准确预测最小隔离电阻值。

倾斜海床下偶极子产生标量电位的表达式推导

为研究倾斜海床条件下,舰船水下腐蚀相关静态电场的场分布问题,针对空气—海水—倾斜海床三层模型,采用水平直流电偶极子对场源进行模拟,利用静电场的镜像法,线性叠加场源和各镜像源在场点产生的标量电位,推导出了海水中的水平直流电偶极子在海水、空气及海床中产生的标量电位分布的解析表达式,并证明了所得表达式是满足边界条件的。研究结果为进一步研究舰船水下腐蚀相关静态电场的场分布问题奠定了基础,同时为舰船目标的探测提供了新的思路。