劉長猛，郜 冶

(哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，150001 哈爾濱)

不同護(hù)衛(wèi)艦船型飛行甲板氣流場特征研究

劉長猛，郜 冶

(哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，150001 哈爾濱)

為了研究艦船氣流場特征，對簡化船型SFS1和SFS2以及實體護(hù)衛(wèi)艦船型進(jìn)行數(shù)值模擬，與風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)對比驗證，分析了飛行甲板周圍氣流場特征.通過對SFS1船型的計算，得到了艦船中心表面壓力系數(shù)的分布，發(fā)現(xiàn)渦在機庫頂端分離、脫落并且再附著于飛行甲板，驗證了飛行甲板表面馬蹄渦的存在.算例結(jié)果表明護(hù)衛(wèi)艦船體結(jié)構(gòu)對空氣的阻滯作用是渦分離和脫落的重要驅(qū)動力.對于實體護(hù)衛(wèi)艦船型分別計算了0°和右舷30°風(fēng)向角時的氣流場工況，分析發(fā)現(xiàn)機庫結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸會影響飛行甲板周圍渦旋的強度和位置.在0°風(fēng)向角時，機庫門敞開有助于改善飛行甲板的氣流場狀況.

護(hù)衛(wèi)艦;氣流場;飛行甲板;數(shù)值計算;渦旋

風(fēng)流過艦船結(jié)構(gòu)邊緣引發(fā)的高度瞬態(tài)變化的湍流氣流場結(jié)構(gòu)對艦載飛機在船上和船體周圍的操作有很大影響.將艦船氣流場數(shù)據(jù)和艦載機飛行控制平臺相結(jié)合，降低艦載機起飛和降落的風(fēng)險是當(dāng)前國際的熱門研究領(lǐng)域［1］.國外早期的計算流體動力學(xué)(CFD)研究始于穩(wěn)態(tài)的流動方程，而時間精確的CFD模擬能夠更好地捕捉到所需要的艦船結(jié)構(gòu)引起的非穩(wěn)態(tài)的湍流氣流場特征［2－4］.

基于艦船氣流場研究的大尺度特性，CFD計算需要耗費大量的CPU時間，隨著計算機硬件和處理能力的提高，并行計算不斷的應(yīng)用于艦船氣流場研究.文獻(xiàn)［5－7］的計算結(jié)果證明了CFD模擬結(jié)果能夠很好地符合風(fēng)洞測試的結(jié)果;文獻(xiàn)［8］進(jìn)行CVN級航母尾流模擬，創(chuàng)建和實現(xiàn)了F－18航母著陸氣流場模擬，實現(xiàn)了對CFD模擬數(shù)據(jù)的二次開發(fā).不同模型和數(shù)值方法的應(yīng)用，使得CFD技術(shù)在艦船氣流場預(yù)測方面得到了更廣泛的應(yīng)用.典型的護(hù)衛(wèi)艦船體結(jié)構(gòu)被簡化為了通用的計算模型，SFS1和 SFS2(圖1).文獻(xiàn)［9］使用FLUENT的k－ε模型計算了SFS1的氣流場結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)［10］研究了不同計算模型和網(wǎng)格對SFS1和SFS2模型氣流場的影響.文獻(xiàn)［11－12］使用不同湍流模型均獲得了SFS2船型的流場特征并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比研究.可以看到CFD能夠準(zhǔn)確進(jìn)行氣流場特征計算，而且CFD還可用于全尺寸計算并能夠獲得詳細(xì)渦脫落和時間精確的數(shù)據(jù).但是對于渦脫落特征的研究是較為缺乏的.

本文利用CFD對SFS1和SFS2船型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析飛行甲板周圍氣流場渦旋結(jié)構(gòu)特征.通過對比SFS1中心處壓力系數(shù)，驗證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)機庫后巨大回流區(qū)的渦結(jié)構(gòu)特征，捕捉到馬蹄形渦旋以及影響區(qū)域.分析SFS2的計算結(jié)果，得到了側(cè)向風(fēng)對飛行甲板氣流場渦旋結(jié)構(gòu)的影響.基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算了某護(hù)衛(wèi)艦的氣流場形態(tài)，建立了氣流場數(shù)據(jù)庫.

1 數(shù)值模擬

1.1 CFD模型

本文計算采用國際通用的簡單護(hù)衛(wèi)艦?zāi)Ｐ蚐FS1和SFS2，模型如圖1(a).這個模型所產(chǎn)生渦的主要特征相似于典型護(hù)衛(wèi)艦所產(chǎn)生的流場結(jié)構(gòu).有研究者［2］使用這個模型進(jìn)行并行數(shù)值研究和風(fēng)洞與水洞的實驗.模型SFS1主尺寸長×寬×高為97.5 m×13.7 m×16.8 m，模型 SFS2主尺寸長×寬×高為138.7 m×13.7 m×16.8 m，具體尺寸參數(shù)見文獻(xiàn)［2］.

圖1(b)為某護(hù)衛(wèi)艦CFD模型，基于CFD的計算限制，在盡可能保留完整艦船結(jié)構(gòu)情況下，做了一些必要簡化.實體護(hù)衛(wèi)艦的計算有助于了解護(hù)衛(wèi)艦船體結(jié)構(gòu)真實氣流場特征，并且獲得艦船氣流場數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步仿真計算.

1.2 網(wǎng)格劃分

計算使用的全部網(wǎng)格是由ANSYS ICEM生成(圖2).由于SFS1和SFS2幾何形體較為簡單，因此采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在近壁面區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，在入口20 m/s的風(fēng)速情況下，采用第一層網(wǎng)格高度為0.005 m，并且在計算過程中保證滿足湍流模型計算所使用壁面函數(shù)的y+條件.SFS1和SFS2網(wǎng)格總數(shù)分別為2.5×106和3×106.結(jié)構(gòu)復(fù)雜的真實護(hù)衛(wèi)艦?zāi)Ｐ筒捎没旌暇W(wǎng)格，在船體壁面生成棱柱體網(wǎng)格，在外流場區(qū)域采用網(wǎng)格尺度逐漸粗化的四面體網(wǎng)格，棱柱體和四面體網(wǎng)格交界處采用金字塔型網(wǎng)格作為過渡.網(wǎng)格總數(shù)為 8.9×106.

圖1 CFD船型

1.3 計算區(qū)域和邊界條件

計算區(qū)域:船前為5倍船長(5L)，船后為10倍船長(10L)，左右均為10倍船寬(10W)，垂向為10倍船高(10H).

邊界條件:在本文計算中，雷諾數(shù)計算基于自由來流速度，并且以艦船CFD模型的寬度為特征長度.假定艦船靜止不動，入口為速度入口Uin=20 m/s(相當(dāng)于船速40節(jié))，船體的所有表面均設(shè)定為無滑移壁面，出口邊界為壓力出口，將海平面設(shè)置為無摩擦的壁面.和風(fēng)洞實驗設(shè)計相比較，這樣的設(shè)置也是合適的.其余邊界均設(shè)為自由滑移壁面.右舷風(fēng)時，船型左側(cè)邊界條件改為壓力出口，右側(cè)邊界條件改為速度入口.

使用FLUENT的非穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型進(jìn)行計算，每次模擬計算要保證總體流動時間至少夠一次計算域內(nèi)空氣徹底交換.參考文獻(xiàn)［5－6］的設(shè)置，基于來流和最小網(wǎng)格尺度的關(guān)系，本文將定常時間步長選為0.002 s，文獻(xiàn)［12］顯示使用較小時間步長對于計算求解影響很小，迭代計算60 000個時間步，每400個時間步保存一次，時均化處理最后12 000個時間步的數(shù)據(jù)，以便于和風(fēng)速計測得的時均的實驗數(shù)據(jù)作對比.

圖2 艦船網(wǎng)格細(xì)節(jié)

2 數(shù)值計算及結(jié)果分析

2.1 SFS1計算結(jié)果分析

SFS1呈現(xiàn)的是在船首處為前臺階流動，緊接著在飛行甲板和船體尾部處為兩個后臺階流動的繞流現(xiàn)象，在飛行甲板處的流場結(jié)構(gòu)是在三維后臺階流動中最常見的.氣流在機庫頂部的剪切層分離和在飛行甲板上的再附著.圖3為SFS1中間截面飛行甲板處流線圖.可以看到機庫后存在巨大的回流區(qū)，渦旋左側(cè)上洗氣流影響范圍僅到達(dá)機庫頂端位置(z=10.668 m).鑒于標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型對后臺階流動的計算能力，飛行甲板上附著點的位置應(yīng)該是不夠準(zhǔn)確的.有待于利用更高級的模型進(jìn)行驗證.

圖4為本文計算的SFS1中間截面上壓力系數(shù)分布曲線與文獻(xiàn)［2］中風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)的對比圖.為了與實驗數(shù)據(jù)作對比，對x方向長度進(jìn)行了無因次化處理.可以看出本文計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)整體趨勢以及主要流場特征均吻合的很好，說明本文計算方法準(zhǔn)確.圖5顯示為對機庫后壁面馬蹄渦的捕捉.與文獻(xiàn)［11］中風(fēng)洞實驗圖片相比較，本文計算很好地呈現(xiàn)了馬蹄渦的位置和形狀.在飛行甲板近壁面處的渦旋區(qū)呈現(xiàn)出了典型鈍體繞流尾跡中的馬蹄形流線分布.同時在水平方向，由于機庫側(cè)面對流體的阻礙作用，使得繞過機庫的氣流在機庫后面形成了水平方向的兩個對稱回流渦旋.機庫后面的流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有極強的三維特性.

圖3 飛行甲板中間截面二維流線圖

圖4 艦船中心表面壓力系數(shù)比較

圖5 SFS1飛行甲板的表面流線

圖6為x=49 m，50 m處的截面流線圖，從圖3可以得到此兩截面位于回流旋渦中心處.可以看到不同形態(tài)的渦旋結(jié)構(gòu)相互作用在yz截面呈現(xiàn)的流動狀態(tài).x=49 m處，流線在距離飛行甲板的一定范圍內(nèi)形成長方形界面，并且存在一個壓力梯度較高的空中分界截面，界面內(nèi)外的流線方向不同.在x=50 m處，界面內(nèi)部氣流變?yōu)橄孪?，且向兩?cè)分流，規(guī)則的長方形界面已經(jīng)被破壞，兩側(cè)界面內(nèi)外流線仍然相反.SFS1的計算結(jié)果顯示機庫結(jié)構(gòu)影響了下游飛行甲板氣流場渦旋結(jié)構(gòu)的形態(tài).

圖6 x=49 m，50 m處二維流線圖

2.2 SFS2計算結(jié)果分析

SFS2的模型更加接近于真實的護(hù)衛(wèi)艦.減少了實體艦船天線和煙囪等結(jié)構(gòu)對氣流場產(chǎn)生的干擾，SFS2的氣流場研究有助于發(fā)現(xiàn)護(hù)衛(wèi)艦艦船結(jié)構(gòu)的更加本質(zhì)的氣流場特征.對于SFS2模型，0°風(fēng)向角情況下，飛行甲板上的氣流場結(jié)構(gòu)與SFS1的氣流場結(jié)構(gòu)完全相同.

圖7為本文CFD計算的飛行甲板上部空間直線上的速度分布曲線與文獻(xiàn)［12］的對比結(jié)果.直線位置為飛行甲板中間位置的yz截面上，和機庫等高度的直線.x軸為y向坐標(biāo)與飛行甲板寬度的無量綱化的比值，y軸為各向速度分量無量綱化比值.由圖7可以看出，本文CFD計算結(jié)果很好地吻合于風(fēng)洞實驗結(jié)果.速度曲線的整體分布趨勢為左右對稱，但是從x軸±0.4處的u方向分量實驗數(shù)據(jù)分布看出右側(cè)速度明顯小于左側(cè)速度，呈現(xiàn)了微弱的不對稱性.在Syms［11］所做的研究中也可以看到這種不對稱性.v方向速度分量左右兩側(cè)速度方向相反，即均為從甲板外側(cè)向中心流動，但是數(shù)值呈現(xiàn)了很好的對稱性.w方向上存在明顯的下洗氣流，也顯示了在機庫頂部發(fā)生分離的氣流向下運動，并附著于飛行甲板的流動現(xiàn)象.

圖7 飛行甲板中間位置無量綱化速度

圖8為當(dāng)氣流從右舷45°吹過船體時，飛行甲板處三維流線示意圖.可以看到飛行甲板上共有兩個主要的渦旋.當(dāng)氣流接近船體右舷邊界時，由于受到船體阻礙作用，在飛行甲板右側(cè)壁面處出現(xiàn)緊貼船體壁面的上洗氣流，并且在向下游運動時控制了飛行甲板上的主要流場特征，但是渦旋強度較小.第二個旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于機庫的頂端，氣流向右下方運動的過程中，在機庫和飛行甲板相交的右側(cè)夾角處出現(xiàn)三維特征明顯的渦旋結(jié)構(gòu)，隨著渦心向下游運動并且與飛行甲板交界處的上洗卷起的第一個渦旋發(fā)生強烈的相互作用，逐漸向下游脫落并且伴有極強的瞬時特性.在船尾處同樣存在渦旋，但是對飛行甲板上的流場影響很小.

圖8 右舷45°風(fēng)向角時飛行甲板流場結(jié)構(gòu)

通過分析船體結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)空氣受到船體的阻滯作用而使氣流產(chǎn)生分離，脫落和附著，并且產(chǎn)生了飛行甲板處強烈的渦旋結(jié)構(gòu).因此護(hù)衛(wèi)艦船體結(jié)構(gòu)對空氣的阻滯作用是飛行甲板渦分離和脫落的重要驅(qū)動力.

2.3 實體護(hù)衛(wèi)艦計算結(jié)果分析

文獻(xiàn)［13］針對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格應(yīng)用于艦船流場計算的研究結(jié)果表明，沿甲板邊界的網(wǎng)格細(xì)化是采集船首和邊界渦產(chǎn)生的關(guān)鍵.對位于船首，甲板和島型建筑邊界的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，船體邊界的網(wǎng)格細(xì)化對于下游船體邊界分離渦的捕捉有重要作用.由于采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格且數(shù)量巨大，因此并沒有計算非穩(wěn)態(tài)結(jié)果.

圖9為不同風(fēng)向角時的渦量等值面圖.由圖9(a)可以清楚地看出主要有4個不同位置的渦系，船首兩側(cè)甲板的上洗渦結(jié)構(gòu)，船體中間島型建筑脫落渦，飛行甲板和船尾的渦旋結(jié)構(gòu).在主要影響飛行操作的飛行甲板區(qū)域，渦旋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生主要因為機庫后面巨大的低壓區(qū)，氣流在此分離和脫落.在側(cè)向風(fēng)情況下，整個船體的渦旋結(jié)構(gòu)主要是由于右側(cè)船體對氣流的阻礙引起的，并且控制了整個船體區(qū)域的流場特征，流場結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜.在渦量圖中可以直觀地看到，在機庫和飛行甲板相交的右側(cè)夾角處，不同渦旋結(jié)構(gòu)相互作用，嚴(yán)重影響下游區(qū)域流場結(jié)構(gòu).在渦量圖中可以更加明顯地看出艦船結(jié)構(gòu)對氣流的阻滯作用，分析發(fā)現(xiàn)機庫結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸會影響飛行甲板周圍渦旋的強度和位置.

圖9 渦量等值面(渦量值為2)

圖10(a)為船體中心截面飛行甲板處速度矢量和垂向速度云圖.由于垂向速度分量對于艦載直升機的飛行影響最大，因此研究并分析垂向速度分布對于艦載機飛行安全有重要意義.在圖中可以明顯地看到機庫尾端存在嚴(yán)重的上洗氣流.為了初步研究機庫大門敞開對飛行甲板的影響.人為設(shè)定機庫敞開并且進(jìn)深3 m以內(nèi)沒有物體存在.如圖10(b)，初步研究發(fā)現(xiàn)在機庫大門敞開情況下，垂向速度減弱，因此對于改善飛行甲板處的氣流場有極為重要的作用.

圖10 中間截面飛行甲板速度矢量和垂向速度云圖

3 結(jié)論

1)通過分析SFS1和SFS2氣流場特征發(fā)現(xiàn)，0°風(fēng)向角時，機庫后面存在巨大的回流區(qū)，氣流在機庫頂端發(fā)生分離，脫落并且附著于飛行甲板，此時飛行甲板流場主要受回流區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)影響.

2)在右舷風(fēng)向角時，飛行甲板處流場被兩個主要渦旋結(jié)構(gòu)控制，機庫頂端分離渦和右側(cè)甲板氣流上洗渦旋.兩個渦系在機庫和飛行甲板的右側(cè)夾角處相互作用和影響.

3)船體結(jié)構(gòu)對空氣的阻滯作用是渦分離和脫落的重要驅(qū)動力，機庫結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸會影響飛行甲板周圍渦旋的強度和位置.初步研究結(jié)果表明，護(hù)衛(wèi)艦機庫敞開有利于減弱機庫門附近強烈的上洗氣流.對于機庫開口空間對氣流場的影響有必要做進(jìn)一步的研究.

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Research on the airwake characteristics of flight deck for different frigate ship models

LIU Changmeng，GAO Ye
(College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，150001 Harbin，China)

To study the characteristics of ship airwake，the simplified frigate ship，SFS1 and SFS2，and actual frigate ship were simulated，and the results were used to analyze the characteristics of flow field around the flight deck by comparing with the experimental data in wind tunnel.The centerline surface pressure coefficient and vortex separation off the top of hangar shed and reattached on the flight deck were found by the simulation of SFS1，and the existence of horseshoe vortex on the surface of the flight deck was verified.An example indicates that the blocking of the ship geometry is an important driving force for the vortex separation and shedding.The actual frigate ship with 0°and 30°starboard winds was simulated，and the results showed that the shape and size of the hangar affected the intensity and location of the vortices around the flight deck.In the 0°wind direction，to open the hangar door could improve the flow field status of the flight deck.

frigate;airwake;flight deck;numerical computation;vortex

U674.774

A

0367－6234(2014)03－0080－06

2013－03－27.

國家自然科學(xué)基金資助項目(10972063).

劉長猛(1986—)，男，博士研究生;

郜 冶(1953—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

郜 冶，gaoye66@126.com.

(編輯 張 宏)