曲 飛 陸 超 姜治芳 王 濤

1海軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局，遼寧 沈陽(yáng) 110031 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

艦船艦面空氣流場(chǎng)的CFD數(shù)值模擬探討

曲 飛1陸 超2姜治芳2王 濤2

1海軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局，遼寧 沈陽(yáng) 110031 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

CFD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于艦船水流場(chǎng)的分析計(jì)算研究領(lǐng)域，而在艦船空氣流場(chǎng)研究中的應(yīng)用趨勢(shì)正在逐步增強(qiáng)，目前國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究工作還處于起步階段。從現(xiàn)代艦船氣流場(chǎng)的研究發(fā)展現(xiàn)狀、艦船空氣流場(chǎng)CFD數(shù)值計(jì)算方法的選用以及實(shí)例數(shù)值計(jì)算，探討了數(shù)值模擬艦船氣流場(chǎng)的可行性，并通過將計(jì)算實(shí)例的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與其對(duì)應(yīng)狀態(tài)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的合理性，結(jié)果顯示，利用CFD工具在定常條件下對(duì)艦船空氣流場(chǎng)的模擬計(jì)算方法是可行的。

艦船空氣流場(chǎng)；數(shù)值模擬；粘性流場(chǎng)；風(fēng)洞試驗(yàn)

1 引言

現(xiàn)代艦船是綜合了造船、航空、電子技術(shù)等多專業(yè)的復(fù)雜多系統(tǒng)集合，除在水動(dòng)力學(xué)方面要進(jìn)行廣泛研究之外，隨著諸多精密電子設(shè)備裝艦，尤其是艦載機(jī)在大中型水面艦船裝備系統(tǒng)中所占的比例日益增加的背景下，艦船水面以上船體外形、上層建筑外形、艦面甲板設(shè)備及總體布局所決定的艦船氣流場(chǎng)特性對(duì)包括艦載機(jī)在內(nèi)的諸多艦載裝備能否安全正常工作、發(fā)揮實(shí)際作戰(zhàn)效能都起到了越來越重要的作用。各國(guó)對(duì)艦船氣流場(chǎng)研究工作的重視逐漸增強(qiáng)，通過實(shí)船測(cè)量、風(fēng)洞模型試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算等手段研究艦船氣流場(chǎng)特性掌握其規(guī)律。然而，由于氣流場(chǎng)本身所具有的多方向、多速度性使得前兩種研究手段的周期長(zhǎng)、成本高，不適應(yīng)現(xiàn)代艦船研究設(shè)計(jì)的要求。而以CFD為基礎(chǔ)的數(shù)值仿真手段開始備受青睞［1］，國(guó)外已經(jīng)在艦船方案設(shè)計(jì)階段氣流場(chǎng)的研究中廣泛運(yùn)用。本文將研究現(xiàn)代艦船氣流場(chǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀、艦船空氣流場(chǎng)CFD數(shù)值計(jì)算方法的選用以及實(shí)例數(shù)值計(jì)算，探討數(shù)值模擬艦船氣流場(chǎng)的可行性，并通過將計(jì)算實(shí)例的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與其對(duì)應(yīng)狀態(tài)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，并給出相關(guān)結(jié)論。

2 研究方法及現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)艦船氣流場(chǎng)的研究早在艦載航空兵誕生時(shí)就已經(jīng)開始，世界上最早的航母之一——“百眼巨人”號(hào)在服役后就進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，1918年10月英國(guó)海軍在該艦上進(jìn)行了飛機(jī)起降試驗(yàn)，考慮了不同風(fēng)向角時(shí)飛機(jī)受氣流干擾及艦船尾煙飄散方向?qū)︼w行員視野的影響等多種情況，成為艦載機(jī)正式上艦裝備使用的開端。

目前對(duì)艦船進(jìn)行氣流場(chǎng)分析主要有3種途徑：實(shí)船測(cè)量、風(fēng)洞試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬。

2.1 實(shí)船測(cè)量

要獲得真實(shí)的氣流場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)船測(cè)量無疑是最直接有效的方法。上世紀(jì)60年代，美國(guó)海軍開始對(duì)航母氣流場(chǎng)對(duì)艦載機(jī)艦面作業(yè)的影響逐漸關(guān)注，從CV61“突擊者”號(hào)開始，對(duì)航母氣流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)船測(cè)量，并作為美國(guó)海軍對(duì)多型航母進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的一種補(bǔ)充和驗(yàn)證。

實(shí)船測(cè)量是在實(shí)際氣流場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行的，無需考慮相似性，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差小，測(cè)量條件不受限制，可靠度高。但是需要布置安裝成套的儀器設(shè)備以及專門的兵力配合，試驗(yàn)航次期間艦船測(cè)量區(qū)域的其他作業(yè)往往無法進(jìn)行，要進(jìn)行較全面的數(shù)據(jù)采集其成本太高。所以實(shí)船測(cè)量并不適合作為艦船氣流場(chǎng)研究的主要方法，而通常是作為其他方法的一種補(bǔ)充和驗(yàn)證手段。

2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)是目前最廣泛的一種艦船氣流場(chǎng)研究分析方法，相對(duì)實(shí)船測(cè)量其試驗(yàn)手段簡(jiǎn)單易行、成本較低。在進(jìn)行新船型開發(fā)時(shí)，該方法是對(duì)新船型氣流場(chǎng)特性研究的首選；在進(jìn)行在役艦船氣流場(chǎng)的研究和改進(jìn)時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)也是必經(jīng)的步驟。但是模型風(fēng)洞試驗(yàn)在面對(duì)多方案對(duì)比和多試驗(yàn)邊界條件研究需求時(shí)，也存在試驗(yàn)狀態(tài)多、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高的問題。

70年代，前蘇聯(lián)在進(jìn)行“戈?duì)柺部品颉碧?hào)的技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)曾對(duì)上層建筑和甲板邊緣區(qū)域的氣流進(jìn)行了專門的模型研究并將研究結(jié)果應(yīng)用到實(shí)船設(shè)計(jì)中。美國(guó)海軍在航母、兩棲艦以及大型驅(qū)逐艦的研制中都曾進(jìn)行了模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究工作。

2.3 計(jì)算機(jī)模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)艦船氣流場(chǎng)的研究開始逐漸引入計(jì)算機(jī)建模和氣流場(chǎng)模擬技術(shù)，1990年美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心和海軍航空作戰(zhàn)中心開始對(duì)“斯普魯恩斯”級(jí)大型驅(qū)逐艦進(jìn)行氣流場(chǎng)研究［2］，2002年美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部開始以LHA－2“塞班”號(hào)兩棲攻擊艦為平臺(tái)，結(jié)合實(shí)船測(cè)量和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用CFD計(jì)算工具來預(yù)報(bào)美國(guó)海軍“塔拉瓦”級(jí)兩棲攻擊艦上層建筑引起的空氣流場(chǎng)特性［3］，根據(jù)UH－60、MV－22、CH－46等艦載直升機(jī)的安全起降要求，對(duì)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的擬合規(guī)律進(jìn)行了探索和掌握［4，5］，并將有關(guān)成果運(yùn)用到CVN的相關(guān)研究中。2007年英國(guó)CVF項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開始對(duì)CVF及現(xiàn)役的“無敵”級(jí)航母進(jìn)行CFD建模［6］，以對(duì)CVF的氣流場(chǎng)特性進(jìn)行研究并與現(xiàn)有船型進(jìn)行對(duì)比，這是航母開發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域首次在新型號(hào)開發(fā)過程中建立氣流場(chǎng)數(shù)值模型。

不難看出，隨著計(jì)算能力的提升，采用CFD進(jìn)行早期方案階段艦船甲板氣流特性的研究將會(huì)得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。

3 CFD數(shù)值模擬計(jì)算方法

眾所周知，粘性是流體的一種固有屬性，但是在研究流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果考慮粘性的影響將使研究工作變得相當(dāng)復(fù)雜［7，8］，因此早期人們?cè)陂_展船舶運(yùn)動(dòng)特性研究時(shí)，就將水當(dāng)作理想流體，即無粘流體來處理。雖然基于無粘假設(shè)的理想流體計(jì)算方法已經(jīng)可以較精確地計(jì)算諸如船舶的興波阻力等，但是在預(yù)報(bào)流場(chǎng)細(xì)節(jié)和計(jì)算粘性阻力問題上則無法滿足實(shí)際需要，而必須依靠粘性流計(jì)算方法。艦面甲板氣流特性研究關(guān)注的是甲板面氣流形態(tài)以及氣流大小的變化，屬流場(chǎng)細(xì)節(jié)問題，因此需要采用基于粘性湍流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法。

一般認(rèn)為，粘性流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程N(yùn)－S方程和連續(xù)方程對(duì)于湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)仍然適用，粘性氣流數(shù)值模擬計(jì)算的基本控制方程仍是N－S方程，動(dòng)量守恒定律可表示為：

式中，uj表示在直角坐標(biāo)系xj下的流體速度分量；t表示時(shí)間；p表示流體壓力；ρ表示流體密度；ν表示流體分子運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；fi表示體積力。

對(duì)艦船粘性空氣繞流來說，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，視船體靜止，氣流相對(duì)于船體作定常繞流運(yùn)動(dòng)。在此前提下，式（1）中的時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)可以去掉。當(dāng)不考慮空氣自身重力的影響時(shí)，可以忽略體積力的因素，而只考慮自由面氣流的影響，因此，式（1）可寫成：

式中，g1＝0，g2＝0，g3＝－g （取x3坐標(biāo)軸線上為正），g為重力加速度。

現(xiàn)代的粘性湍流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法，主要包括邊界層理論、直接數(shù)值模擬（DNS）、非直接數(shù)值模擬。其中，非直接數(shù)值模擬是一類不直接計(jì)算湍流的脈動(dòng)特性，而是對(duì)湍流作一定程度的近似和簡(jiǎn)化處理的方法。依據(jù)所采用的近似和簡(jiǎn)化方法不同，非直接數(shù)值模擬方法又分為大渦模擬（LES）、Reynolds平均法和統(tǒng)計(jì)平均法。非直接數(shù)值模擬是目前粘性流場(chǎng)模擬計(jì)算所采用的最普遍的方法，其計(jì)算精度和綜合計(jì)算成本已經(jīng)受到廣泛認(rèn)可，而其中最常用的兩種方法就是大渦模擬和Reynolds平均法。

1）大渦模擬

大渦模擬是介于直接數(shù)值模擬與Reynolds平均法（RANSE）之間的一種湍流數(shù)值模擬方法。隨著計(jì)算機(jī)硬件條件的快速提高，對(duì)大渦模擬方法的研究與應(yīng)用呈明顯上升趨勢(shì)，成為目前CFD領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

就目前的計(jì)算機(jī)能力來講，能夠采用的計(jì)算網(wǎng)格的最小尺度仍比最小渦的尺度大很多。因此，目前只能放棄對(duì)全尺度范圍上渦的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的模擬，而只將比網(wǎng)格尺度大的湍流運(yùn)動(dòng)通過瞬時(shí)NS方程直接計(jì)算出來，而小尺度渦對(duì)大尺度渦運(yùn)動(dòng)的影響則通過一定的模型在針對(duì)大尺度渦的瞬時(shí)N－S方程中體現(xiàn)出來，從而形成了目前的大渦模擬法。要說明的一點(diǎn)是，這種方法對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和速度的要求仍然比較高。

2）Reynolds時(shí)均N－S方程法 （RANS方程法）

雖然瞬時(shí)的N－S方程可以用于描述湍流，但N－S方程的非線性使得用解析的方法精確描寫三維時(shí)間相關(guān)的全部細(xì)節(jié)極端困難，即使能真正得到這些細(xì)節(jié)，對(duì)于解決實(shí)際問題也沒有太大的意義。這是因?yàn)椋趯?shí)際工程應(yīng)用中，重要的是湍流引起的平均流場(chǎng)的變化，是整體的效果。我們最為關(guān)心的是流動(dòng)要素的時(shí)均值，而對(duì)湍流的脈動(dòng)量往往不太關(guān)注。所以人們自然想到求解時(shí)均化的N－S方程，而將瞬態(tài)的脈動(dòng)量通過某種模型在時(shí)均化的方程中體現(xiàn)出來，由此產(chǎn)生了Reynolds平均法。這種方法的核心是不直接求解瞬時(shí)的N－S方程，而是想辦法求解時(shí)均化的Reynolds方程，即對(duì)Reynolds時(shí)均N－S方程不作任何簡(jiǎn)化，同時(shí)引入各種湍流模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。這樣，不僅可以避免DNS方法的計(jì)算量大的問題，而且對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用可以取得很好的效果。Reynolds平均法是目前使用最廣泛的湍流數(shù)值模擬方法。

基于以上的分析，本文采用Reynolds平均法進(jìn)行定常艦船空氣流場(chǎng)CFD數(shù)值模擬計(jì)算。

4 數(shù)值模擬計(jì)算實(shí)例

4.1 數(shù)值模擬參考實(shí)例的選取

美國(guó)是目前進(jìn)行艦船飛行甲板氣流場(chǎng)研究最前沿的國(guó)家，多年來已經(jīng)積累了豐富的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，并且對(duì)多型艦船進(jìn)行了實(shí)船、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的系統(tǒng)化研究，其試驗(yàn)結(jié)果具有廣泛的參考價(jià)值。近年來，美國(guó)海軍以LHA－2兩棲攻擊艦為平臺(tái)進(jìn)行了廣泛的氣流場(chǎng)模型試驗(yàn)研究，并公布了部分具有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)，給出了風(fēng)洞中模型著艦區(qū)域甲板定常流測(cè)量數(shù)據(jù)。本文擬選取該艦平臺(tái)為數(shù)值模擬參考模型，利用ANSYS CFX為計(jì)算工具，針對(duì)風(fēng)洞模型試驗(yàn)時(shí)模型狀態(tài)、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并與其模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。

風(fēng)洞模型試驗(yàn)時(shí)模型狀態(tài)、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)工況：

1）模型縮比為1∶120，模型忽略了包括甲板日常工作車輛和島式上層建筑上的天線等，省去它們的原因是由于甲板日常工作車輛的尺寸相對(duì)母艦過小而且沒有固定位置，天線的幾何形狀則過于復(fù)雜難以模擬。

2）試驗(yàn)風(fēng)洞為NASA埃姆斯試驗(yàn)室的7×10 ft低速風(fēng)洞，能滿足低馬赫數(shù)的試驗(yàn)要求，利用七孔探針測(cè)量速度的三向分量，這里要說明的是，七孔探針測(cè)得的是速度時(shí)均值，因此獲取的是流動(dòng)的定常信息。

3）測(cè)量點(diǎn)位于原艦飛行甲板的2號(hào)著艦點(diǎn)所在的橫向線段上，由于探針本身存在尺寸及模擬實(shí)船探桿頂端高度的需要，測(cè)高分別位于甲板以上0.231 5 ft和0.731 5 ft，線段長(zhǎng)度為2倍甲板寬度。

4）風(fēng)洞來流定速為170 ft／s，公布試驗(yàn)結(jié)果的風(fēng)向角（WOD）為0°，測(cè)量結(jié)果經(jīng)過無量綱化處理后以位置—3個(gè)法向速度曲線的形式輸出。

4.2 幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

本文利用ANSYS ICEM軟件建立了一個(gè)與模型試驗(yàn)相同的幾何模型［9，10］，模型縮尺為1∶120，以埃姆斯風(fēng)洞為邊界圍繞該模型建立了計(jì)算域，船模位于其底面中線上，距入口邊界為1倍模型長(zhǎng)度，距出口邊界2.5倍模型長(zhǎng)度。

對(duì)幾何模型的網(wǎng)格劃分主要考慮到計(jì)算機(jī)性能所能滿足的范圍，本文使用1臺(tái)臺(tái)式PC機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，其硬件配置主要為：Genuine Intel（R）2140 1.6 GHz CPU，2根1G DDR2內(nèi)存條。為充分利用計(jì)算資源，網(wǎng)格生成以四面體網(wǎng)格為主，船體自由表面則采用六面體網(wǎng)格，為提高計(jì)算精度，采用依次增加網(wǎng)格數(shù)量的辦法以獲得該機(jī)性能所能承受的最大網(wǎng)格數(shù)量，因此通過調(diào)整網(wǎng)格最小尺寸獲得了84萬、130萬、256萬3個(gè)級(jí)別網(wǎng)格數(shù)量劃分方案，其中256萬級(jí)別方案已經(jīng)超過計(jì)算機(jī)性能極限，致使計(jì)算機(jī)無法正常運(yùn)行，因此采用130萬級(jí)別方案進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格生成后進(jìn)行了質(zhì)量檢驗(yàn)證實(shí)其劃分良好，隨后將網(wǎng)格導(dǎo)入CFX Pre中并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行下一步工作。

4.3 邊界條件的設(shè)定

計(jì)算邊界條件的選取應(yīng)盡量接近原試驗(yàn)的邊界條件，對(duì)以下幾種邊界條件進(jìn)行了綜合考慮。

1）入口邊界條件

對(duì)于艦船的粘性空氣繞流，入流邊界是一種人工邊界，它不是由物體的性質(zhì)決定，因而不是固定的，它要取得離船體外板足夠遠(yuǎn)才能盡量地反映出真實(shí)情況。入口處的邊界條件屬于Dirichlet邊界條件：入口處的速度是預(yù)先給定的，一般是均勻來流條件，考慮到美方風(fēng)洞來流速度為170 ft／s，入口邊界的速度與之相同，換算為公制單位為51.816 m／s，風(fēng)向角為0°。

2）出口邊界條件

出口邊界條件是虛擬的，出口邊界到飛行甲板末端的距離也要合理確定以消除對(duì)流場(chǎng)計(jì)算的影響。在出口處，所有變量都滿足Neumann條件。即：出口處的速度分量由上游一層網(wǎng)格點(diǎn)的即時(shí)值推演，再根據(jù)連續(xù)性條件按比例修正每一出口處網(wǎng)格點(diǎn)的速度分量。在高雷諾數(shù)情況下，下游的k和ε值取零梯度。用公式表示為：

本文的出口邊界條件設(shè)定為相對(duì)壓力0 Pa。

3）固壁邊界條件

由于壁面對(duì)湍流有明顯影響，在很靠近壁面的地方，粘性阻尼減少了切向速度脈動(dòng)，壁面也阻止了法向的速度脈動(dòng)。離開壁面稍微遠(yuǎn)點(diǎn)的地方，由于平均速度梯度的增加，湍動(dòng)能迅速變大，因而湍流增強(qiáng)。因此近壁的處理明顯影響數(shù)值模擬的結(jié)果，因?yàn)楸诿媸菧u量和湍流的主要來源。物面邊界是一種典型的固壁邊界條件。在固壁上，速度和湍動(dòng)能k滿足無滑移的邊界條件。

由于壁面類邊界都是固壁邊界，因此本文對(duì)船模及風(fēng)洞四壁均設(shè)定為固壁邊界。

4.4 湍流模型的選取

進(jìn)行粘性流場(chǎng)計(jì)算所用的最基本的兩方程模型是標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，該模型是在一方程模型的基礎(chǔ)上，新引入關(guān)于湍動(dòng)耗散率ε的方程后形成。此外還有各種改進(jìn)型的k－ε模型，比較著名的是RNG k－ε模型和Realizable k－ε模型。k－ε方程湍流模型同時(shí)考慮了湍流脈動(dòng)速度的輸運(yùn)和湍流脈動(dòng)長(zhǎng)度的輸運(yùn)，比零方程、一方程湍流模型更符合實(shí)際情況，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用并經(jīng)受了大量的檢驗(yàn)，本文選用的是標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型。

k－ε方程湍流模型是針對(duì)湍流發(fā)展非常充分的湍流流動(dòng)來建立的，即是一種針對(duì)高Reynolds數(shù)的湍流模型，而當(dāng)Reynolds數(shù)比較低時(shí)，例如，在近壁區(qū)內(nèi)的流動(dòng)，湍流發(fā)展并不充分，用此模型計(jì)算就會(huì)出現(xiàn)問題，因此，在解決近壁區(qū)內(nèi)的流動(dòng)計(jì)算及低Reynolds數(shù)時(shí)的流動(dòng)計(jì)算問題時(shí)，常用的解決方法有兩種：一種是采用壁面函數(shù)法，另一種是采用低Reynolds數(shù)的k－ε模型。本文采用前一種方法。

4.5 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

4.5.1 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

130萬級(jí)別網(wǎng)格方案完成計(jì)算后按照計(jì)算結(jié)果繪制出了公制的位置—3個(gè)法向速度分布圖，由于原試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了無量綱化處理且為英制單位，因此本文將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Excell并進(jìn)行了相同處理，繪制出相同制式的圖表并生成散點(diǎn)圖與原試驗(yàn)的散點(diǎn)圖進(jìn)行比對(duì)。如圖1所示。

從圖1中可以看到，數(shù)值模擬計(jì)算的速度點(diǎn)與模型試驗(yàn)所獲得的速度點(diǎn)分布在同一數(shù)值范圍內(nèi)，各速度分量曲線的變化趨勢(shì)基本一致，能較好地與試驗(yàn)曲線擬合。圖1下圖為0.731 5 in處的速度曲線，由圖可知，這一高度的曲線不僅在數(shù)值范圍和曲線變化趨勢(shì)上相同，在速度分量的數(shù)值上也較為接近，v、w曲線的擬合度較高，分析其原因，是由于該高度已經(jīng)遠(yuǎn)離甲板自由表面，氣流速度的變化較少，使得數(shù)值計(jì)算值更接近模型試驗(yàn)值。

圖1 CFD數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)0°風(fēng)向角飛行甲板以上0.231 5 in（上）及0.731 5 in（下）處法向速度分布圖

4.5.2 網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算精度的關(guān)系

在幾何模型建立初期，本文先后嘗試劃分了3個(gè)不同數(shù)量的網(wǎng)格方案，對(duì)85萬和130萬級(jí)別網(wǎng)格方案進(jìn)行了計(jì)算并將各自計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算精度的關(guān)系進(jìn)行了初步的觀察，圖2為不同數(shù)量級(jí)別網(wǎng)格方案與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖像。

由圖2可知，85萬級(jí)所得速度曲線在趨勢(shì)上不及130萬級(jí)網(wǎng)格方案接近，數(shù)據(jù)誤差也更大。

圖2 85萬、130萬級(jí)網(wǎng)格劃分方案數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過CFD計(jì)算得到了LHA－2飛行甲板2號(hào)著艦點(diǎn)區(qū)域的定常氣流場(chǎng)數(shù)據(jù)。所得的速度值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)船測(cè)量數(shù)據(jù)均進(jìn)行了對(duì)比。CFX定常流數(shù)值模擬的時(shí)均值與風(fēng)洞采集的7孔探針數(shù)據(jù)有較好的擬合度。然而，也可以看到網(wǎng)格數(shù)量越少、計(jì)算區(qū)域越接近自由表面，定常CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相差越大，因此，如果增加網(wǎng)格密度，或在專用高性能服務(wù)器上進(jìn)行實(shí)尺模擬計(jì)算，將進(jìn)一步增加計(jì)算精度。雖然在0.231 5 in高度計(jì)算時(shí)誤差較大，但是從曲線變化趨勢(shì)和計(jì)算結(jié)果所在范圍來看，利用CFD數(shù)值模擬艦船空氣流場(chǎng)，并得到可用于工程應(yīng)用參考的氣流場(chǎng)特性數(shù)據(jù)是可行的，這對(duì)艦船方案設(shè)計(jì)階段的氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)和方案篩選具有實(shí)際的意義和實(shí)用價(jià)值。

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CFD Numerical Simulation of Ship Air－wake

Qu Fei1Lu Chao2Jiang Zhi－fang2Wang Tao2
1 Shenyang Representative Office of the Naval Equipment Department，Shenyang 110031，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The simulation of ship hydrodynamic field has been used extensively by the computational fluid dynamics（CFD）.Applying CFD method to analyze the ship air－wake field within the domestic ship design community，nowadays，is still at preliminary stage.And the accuracy of CFD tool has not been proved in ship air－wake simulation.This paper described the recent developments，principle，basic forms and concepts about CFD numerical simulation.Furthermore，there was an analysis of the results between the simulation and relevant wind tunnel experiment.Then，the examination and balances were described.The results of the comparison show that the CFD simulation has the feasibility in steady state conditions.However，further investigation is necessary for other conditions.

ship air－wake；CFD numerical simulation；viscosity air－wake；wind tunnel experiment

O35；U663.6

A

1673－3185（2009）05－23－05

2009-03-03

曲 飛（1971-），男，工程師。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)

姜治芳（1965-），女，研究員，碩士生導(dǎo)師。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化