袁書生，曾 亮，鄒 強(qiáng)

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，山東 煙臺(tái) 264001)

煙囪熱排煙對(duì)艦船甲板風(fēng)下洗影響的大渦模擬

袁書生，曾 亮，鄒 強(qiáng)

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，山東 煙臺(tái) 264001)

采用低速氣流運(yùn)動(dòng)控制方程組和湍流大渦模擬方法，研究迎面來風(fēng)條件下、煙囪熱排煙對(duì)艦船甲板風(fēng)下洗氣流的影響，得到艦船飛行甲板上空下洗與航向、橫向速度隨時(shí)間的變化。較無熱煙氣排出，熱排煙使飛行甲板上方的下洗速度時(shí)均值減小，其脈動(dòng)幅度增加；飛行甲板上距離機(jī)庫門相同的位置上，越靠近首尾對(duì)稱面，熱排煙對(duì)下洗速度的影響越大；越靠近艦尾區(qū)域，熱排煙對(duì)飛行甲板風(fēng)下洗速度的影響越小。

水面艦船；大渦模擬；熱排煙；甲板風(fēng)

0 引 言

當(dāng)前，大多數(shù)驅(qū)護(hù)艦仍將動(dòng)力系統(tǒng)排煙通道布置在上層建筑上，該位置出于飛行甲板前方，距離飛行甲板不遠(yuǎn)，盡管排煙速度不是很高，但是溫度卻明顯高于環(huán)境空氣[1]，故它們對(duì)艦船甲板風(fēng)的擾流作用不可忽視。在驅(qū)護(hù)艦的直升機(jī)著艦區(qū)域內(nèi)，甲板風(fēng)不僅流動(dòng)是非穩(wěn)態(tài)的，而且存在著復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)，它們對(duì)直升機(jī)的安全起降具有非常大的影響，研究煙囪排煙對(duì)艦船甲板風(fēng)特性的影響也具有十分重要的意義。艦船甲板風(fēng)下洗流場(chǎng)對(duì)直升機(jī)安全起降影響較大，且主要是其脈動(dòng)特性。

盡管試驗(yàn)方法是獲得風(fēng)流場(chǎng)脈動(dòng)特性信息較為可靠的手段，但是現(xiàn)代驅(qū)護(hù)艦體型龐大，海上試驗(yàn)測(cè)量極其困難，故人們多采用風(fēng)洞模型試驗(yàn)[2]。風(fēng)洞試驗(yàn)確實(shí)具有很多優(yōu)點(diǎn)。不過，也存在著一些突出的問題[3]：一是艦船模型需要縮小 100 倍以上，滿足相似雷諾數(shù)的流動(dòng)條件難以建立；二是全尺寸艦船的風(fēng)擾動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于縮比模型，不能真實(shí)地反映艦船甲板風(fēng)的瞬間特性。從而，人們逐漸轉(zhuǎn)用數(shù)值模擬方法來研究這一問題[4–6]。

當(dāng)前，能獲得流場(chǎng)高精度湍流脈動(dòng)信息的模擬方法主要為大渦模擬方法（LES）和直接模擬方法（DNS），可是對(duì)于大型水面艦船甲板風(fēng)這樣屬于高

雷諾數(shù)的流動(dòng)問題，采用 DNS 計(jì)算量將極大，目前不可能實(shí)現(xiàn)。為此，需要在計(jì)算精度和計(jì)算成本上折中考慮，本文采用 LES 方法模擬煙囪熱排煙對(duì)艦船甲板風(fēng)下洗效應(yīng)的影響。

1 大渦模擬控制方程組

大氣繞流存在煙囪熱排煙的水面艦船，是一個(gè)典型的低速空氣流動(dòng)問題，不考慮熱煙氣的熱輻射效應(yīng)和與空氣間的化學(xué)反應(yīng)，可以采用可壓縮、無化學(xué)反應(yīng)、無輻射、浮力驅(qū)動(dòng)、低速流動(dòng)的湍流瞬時(shí)控制方程組來描述。

考慮到本問題的氣流速度較低，為了減小計(jì)算量，采用低馬赫數(shù)假設(shè)[7]，將氣流壓強(qiáng)分解為背景壓強(qiáng)和速度誘導(dǎo)壓強(qiáng)之和：

假設(shè)氣體壓強(qiáng)、密度和溫度滿足理想氣體狀態(tài)方程，考慮大氣分層，大氣溫度、大氣密度和大氣背景壓強(qiáng)隨高度變化為：

式中：Ta為海面處大氣溫度；Γ 為大氣溫度變化率。

應(yīng)用盒式濾波器對(duì)控制方程組作 Favre 濾波運(yùn)算，可得到大渦模擬的控制方程組為：

計(jì)算時(shí)不直接求解上述方程（6）和方程（7），變化為：

式中：τ 和 q 分別為亞格子湍流應(yīng)力和熱流通量。對(duì)它們分別采用 Deardorff 亞格子模型[8]和渦擴(kuò)散模型[9]進(jìn)行模擬，并采用 Werner-Wengle 壁模型進(jìn)行近壁區(qū)修正[10]。

在交錯(cuò)網(wǎng)格系上將上述大渦模擬控制方程組離散，時(shí)間上采用顯式的 2 階精度的預(yù)測(cè)-校正格式，空間上采用 2 階精度的差分格式，對(duì)流項(xiàng)采用基于 Superbee 通量限制器的 TVD 格式，擴(kuò)散項(xiàng)則采用中心差分格式。建立壓強(qiáng)的 Poisson 方程（11）采用 FFT 方法直接求解。

2 模擬對(duì)象與工況參數(shù)

本文選取圖 1 所示的計(jì)算域，長(zhǎng) 600.0 m、寬 400.0 m、高 100.0 m。水面艦船模型位于計(jì)算域垂直對(duì)稱面（y = 0）上，艦首距離計(jì)算域入口 150.0 m。艦船模型選取與美國(guó)“朱姆沃爾特”號(hào)接近的外形與尺寸，長(zhǎng) 183.0 m、寬 24.0 m，機(jī)庫后墻距離艦尾 47.0 m，飛行甲板距離水面 3.0 m。煙囪位于天線罩之后，出口與上層建筑平臺(tái)平齊，開口形狀為正方形，尺寸與上層建筑寬度一致，為 4 m，其中心位于首尾線中央，即距離艦首91.5 m。

圖1 計(jì)算區(qū)域與艦船模型示意圖Fig.1 The sketch map of simulated region and modeled ship

計(jì)算中不考慮海浪的影響，也不考慮艦船的搖擺，假設(shè)海面為水平的固體壁面。在計(jì)算域入口（x =–100 m），給定風(fēng)速條件，出口和垂直側(cè)面采用自由邊界條件，上表面采用滑移邊界條件。在計(jì)算域的開口表面上，如果法向速度分量指向域外，則各變量取為自由邊界條件，反之各變量則取為外界環(huán)境空氣的參數(shù)。為模擬進(jìn)口處的擾動(dòng)，對(duì)速度邊界條件加上隨機(jī)噪聲，并取隨機(jī)噪聲為均勻分布。計(jì)算中不考慮艦體與空氣之間的熱交換。

在各坐標(biāo)方向上分別采用均勻網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)目取為 600 × 400 × 100。計(jì)算時(shí)間取為 300.0 s，時(shí)間步長(zhǎng)由 CFL 數(shù)確定。本文的計(jì)算采用大渦模擬軟件FDS6.1 進(jìn)行[15,16]，該軟件在國(guó)外已較多地用于風(fēng)工程研究中并得到驗(yàn)證[17]。取海面處大氣溫度為 20 ℃，Γ

為 –0.005 K/m。保持正向來風(fēng)風(fēng)向不變，來風(fēng)速度取為 10 m/s。假設(shè)排煙為熱空氣，排煙溫度取為 180 ℃，速度取為 1.0 m/s。

3 結(jié)果分析與討論

圖 2 為有無排煙條件下，飛行甲板后方某位置處壓強(qiáng)的模擬結(jié)果，可以看出，t = 150 s 以后均達(dá)到了時(shí)均穩(wěn)定，故時(shí)均數(shù)據(jù)處理的時(shí)間間隔為 t = 150～300 s。

圖2 飛行甲板后方某處的壓強(qiáng)Fig.2 The calculated pressure of air at the point after the flight deck

圖 3 給出了有無排煙條件下，飛行甲板首尾對(duì)稱面上機(jī)庫門附近某點(diǎn)（x = 168 m，y = 0，z = 15 m）處下洗速度的模擬結(jié)果。由圖可以看出，熱排煙使該點(diǎn)下洗速度時(shí)均值略有降低，但是其脈動(dòng)幅度有所增加。還可看出，有無熱排煙，該點(diǎn)下洗速度均呈現(xiàn)出在時(shí)均值附近接近均勻脈動(dòng)的隨機(jī)變化。

圖3 飛行甲板上方首尾對(duì)稱面上距離機(jī)庫較近位置的下洗速度Fig.3 The calculated down-wash velocity of air flow at the point over the flight deck closer to the garage and on the ship bow-stern symmetrical plane

圖4 飛行甲板上方首尾對(duì)稱面上距離機(jī)庫較近位置的航向與橫向速度Fig.4 The calculated course and landscape velocities of air flow at the point over the flight deck closer to the garage and on the ship bow-stern symmetrical plane

圖 4 給出了有無排煙條件下，飛行甲板首尾對(duì)稱面上機(jī)庫門附近某點(diǎn)（x = 168 m，y = 0，z = 15 m）處航向和橫向速度的模擬結(jié)果。由圖可以看出，有無熱排煙，該點(diǎn)航向速度變化所有不同，有熱排煙時(shí)，該點(diǎn)航向速度接近周期性變化，而無熱排煙時(shí)，則呈現(xiàn)

出幅度接近對(duì)稱的隨機(jī)變化；有無熱排煙，其航向速度的時(shí)均值差異不大，有熱排煙時(shí)脈動(dòng)幅度大于無熱排煙時(shí)。對(duì)于橫向速度，有無熱排煙，該點(diǎn)橫向速度的脈動(dòng)值差異不大，有熱排煙時(shí)略大于無熱排煙。

圖 5 給出了有無排煙條件下，飛行甲板左舷附近上方某點(diǎn)（x = 168 m，y = –15 m，z = 15 m）處下洗速度的模擬結(jié)果。由圖可以看出，有無熱排煙，該點(diǎn)下洗速度差異不大，均呈現(xiàn)出在時(shí)均值附近接近均勻脈動(dòng)的隨機(jī)變化，只是有熱排煙時(shí)其脈動(dòng)幅度略大于無熱排煙時(shí)。

圖5 飛行甲板上方舷側(cè)附近位置的下洗速度Fig.5 The calculated down-wash velocity of air flow at the point over the flight deck closer to the shipboard

圖 6 給出了有無排煙條件下，飛行甲板左舷附近上方某點(diǎn)（x = 168 m，y = –15 m，z = 15 m）處航向和橫向速度的模擬結(jié)果。由圖可看出有無熱排煙，該點(diǎn)航向速度基本相同，均呈現(xiàn)出在時(shí)均值附近幅度接近對(duì)稱的隨機(jī)變化，但是有熱排煙時(shí)其脈動(dòng)幅度略大于無熱排煙時(shí)。對(duì)于橫向速度，有無熱排煙，該點(diǎn)橫向速度的脈動(dòng)值差異也不大，也只是有熱排煙時(shí)略大于無熱排煙。對(duì)比圖 3 ～ 圖 6 還可看出，無論有無熱排煙，飛行甲板上方側(cè)舷附近的速度脈動(dòng)均明顯地低于首尾對(duì)稱面上機(jī)庫門附近的值。

圖 7 給出了有無排煙條件下，飛行甲板首尾對(duì)稱面上艦尾附近上方某點(diǎn)（x = 193 m，y = 0，z = 20 m）處下洗速度的模擬結(jié)果。由圖可看出，有無熱排煙，該點(diǎn)下洗速度均呈現(xiàn)出在時(shí)均值附近接近均勻脈動(dòng)的隨機(jī)變化，其時(shí)均值基本一致，差異主要表現(xiàn)在其脈動(dòng)幅度上，有熱排煙時(shí)其脈動(dòng)幅度大于無熱排煙時(shí)。

圖6 飛行甲板上方舷側(cè)附近位置的航向與橫向速度Fig.6 The calculated course and landscape velocities of air flow at the point over the flight deck closer to the shipboard

圖 8 給出了有無排煙條件下，飛行甲板首尾對(duì)稱面上艦尾附近上方某點(diǎn)（x = 193 m，y = 0，z = 20 m）處橫向速度的模擬結(jié)果。由圖可看出，有無熱排煙，該點(diǎn)航向速度也均呈現(xiàn)出在時(shí)均值附近幅度接近對(duì)稱的隨機(jī)變化，時(shí)均值差異也不大，不過有熱排煙時(shí)其脈動(dòng)幅度大于無熱排煙時(shí)。對(duì)于橫向速度，有無熱排煙，該點(diǎn)橫向速度的脈動(dòng)值差異也不大，也只是有熱排煙時(shí)略大于無熱排煙。對(duì)比圖 3 ～ 圖 8 還可看出，無論有無熱排煙，距機(jī)庫門距離相同時(shí)，靠近首尾對(duì)稱面區(qū)域的速度脈動(dòng)均大于側(cè)舷福晉區(qū)域，在首尾對(duì)稱面上，飛行甲板上越靠近艦尾，速度脈動(dòng)越小。

圖7 飛行甲板上方艏艉對(duì)稱面上艦尾附近位置的下洗速度Fig.7 The calculated down-wash velocity of air flow at the point over the flight deck closer to the stern and on the ship bowstern symmetrical plane

圖8 飛行甲板上方首尾對(duì)稱面上艦艉附近位置的航向與橫向速度Fig.8 The calculated course and landscape velocities of air flow at the point over the flight deck closer to the stern and on the ship bow-stern symmetrical plane

4 結(jié) 語

本文采用低速氣體流動(dòng)控制方程組和湍流大渦模擬方法，對(duì)迎面來風(fēng)條件下、有無熱排煙條件下艦船飛行甲板風(fēng)下洗特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

1）較無熱煙氣排出，熱排煙使飛行甲板上方的下洗速度時(shí)均值減小，其脈動(dòng)幅度增加；

2）飛行甲板上距離機(jī)庫門相同的位置上，越靠近艏艉對(duì)稱面，熱排煙對(duì)下洗速度的影響越大；

3）越靠近艦尾區(qū)域，熱排煙對(duì)飛行甲板風(fēng)下洗速度的影響越小。

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Large eddy simulation to the effect of smoke from power device to downwash of wind over flight deck of warship

YUAN Shu-sheng, ZENG Liang, ZOU Qiang
(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

The control equations of air flow with lower Mach number and the large eddy simulation method of turbulent flows are used to study the effect of the heat smoke from the power device on the downwash of the wind over deck of warship under the condition of the head-on wind. The variety process of three components of velocity of air motion with time is conducted at some positions in the upper space over the flight deck. To compare without the heat smoke the heat smoke depresses the time-averaged downwash speed and advance the pulse downwash speed at the position over the flight deck. At the positions over the flight deck with the same distance to the door of garage the more near to the bow-stern plane the effect of the heat smoke on the downwash flow is more distinct. The closer the position is to the stern the less the effect of the heat smoke on downwash is.

warship；large eddy simulation；effect of smoke from power device；wind over deck

U674.701

A

1672 – 7619(2016)11 – 0034 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.006

2016 – 01 – 15；

2016 – 07 – 29

中國(guó)工程物理研究院安全彈藥中心開放基金資助項(xiàng)目(RMC2015A01)

袁書生(1963 – )，男，教授，主要從事湍流多相流與燃燒研究。