（海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院 煙臺(tái) 264001）

1 引言

與大型驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等相比，航空母艦、大型登陸艦雖然其艦島相對(duì)艦船本身而言體積較小，但是由于其整體個(gè)體較為龐大，因而在航空母艦、大型登陸艦等艦船的飛行甲板上方，大氣繞流會(huì)產(chǎn)生比較復(fù)雜的渦流，這些大氣繞流的存在會(huì)對(duì)直升機(jī)等旋翼飛行器的起飛與著艦產(chǎn)生很大影響[1]。

由于航空母艦、大型登陸艦為艏艉直通甲板，其甲板風(fēng)（WOD，Wind Over Deck）特征與驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦的存在著一定的差異[2]，需要進(jìn)行研究。

在傳統(tǒng)的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中存在主要的問(wèn)題[3]：一是在風(fēng)洞模型試驗(yàn)中，由于艦船模型至少縮小100倍，因此難以建立相似雷諾數(shù)的流動(dòng)條件；二是由于在實(shí)際中艦船風(fēng)繞流場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)性很強(qiáng)，對(duì)于全尺寸艦船來(lái)說(shuō)，其風(fēng)擾動(dòng)頻率會(huì)遠(yuǎn)大于艦船模型的擾動(dòng)頻率，因此傳統(tǒng)的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中不能真實(shí)正確地反映艦船甲板風(fēng)的瞬間特性，本文擬采用計(jì)算量和信息量均滿足研究要求的大渦數(shù)值模擬方法[4～5]。

在利用冷態(tài)不可壓縮流動(dòng)的N-S方程來(lái)實(shí)現(xiàn)大氣繞流的模擬的過(guò)程中，需要對(duì)壓強(qiáng)與速度的耦合進(jìn)行求解，這個(gè)求解過(guò)程是處理的難點(diǎn)，會(huì)占據(jù)許多的計(jì)算時(shí)間，尤其對(duì)航空母艦、大型登陸艦等大型平臺(tái)的大氣繞流問(wèn)題，會(huì)相應(yīng)增加難以承受的計(jì)算量，并且難以達(dá)到模擬計(jì)算精度要求[6]。

針對(duì)正向來(lái)風(fēng)條件下航空母艦甲板風(fēng)的渦流場(chǎng)特點(diǎn)，本文在Rehm等[7]的研究基礎(chǔ)上，利用低速氣流運(yùn)動(dòng)控制方程組和Deardorff動(dòng)力學(xué)亞格子模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

2 模擬方程組構(gòu)建

大氣繞流艦船產(chǎn)生比較復(fù)雜的渦流的問(wèn)題，是一個(gè)典型的空氣在低速條件下的流動(dòng)問(wèn)題。由于在直升機(jī)起降實(shí)際的操作過(guò)程中，航空母艦相對(duì)風(fēng)速一般很少超過(guò)25m/s，而音速一般取340m/s，因此這種低速空氣流動(dòng)符合低馬赫數(shù)假設(shè)條件[6]，在低馬赫數(shù)假設(shè)中，一般是將氣流壓強(qiáng)分解為背景壓強(qiáng)和速度誘導(dǎo)壓強(qiáng)之和：

而在實(shí)際中還需考慮大氣分層的問(wèn)題，大氣壓強(qiáng)和溫度會(huì)隨高度變化而變化，這種變化分別為

式中：T∞為海面處大氣溫度，p∞為海平面處大氣壓強(qiáng)，Γ為大氣溫度變化率。

大氣的背景壓強(qiáng)應(yīng)滿足理想氣體狀態(tài)方程：

在上述低馬赫數(shù)假設(shè)條件下，利用冷態(tài)氣體低速流動(dòng)過(guò)程的湍流瞬時(shí)控制方程組來(lái)描述航空母艦的大氣繞流問(wèn)題，得到模擬的方程組為

在對(duì)控制方程組計(jì)算時(shí)，并不是對(duì)上面的方程組進(jìn)行直接求解，而是先將代入，將上面方程組中的方程（6）和（7）分別變化為

而對(duì)于亞格子湍流應(yīng)力以及熱流通量這兩個(gè)因子的模擬問(wèn)題，在這里就要用到Deardorff亞格子模型[8]和 渦 擴(kuò) 散 模型[9]，并 且需 要 結(jié) 合 Werner-Wengle壁模型對(duì)模擬計(jì)算過(guò)程進(jìn)行近壁區(qū)修正[10]，從而得到模擬結(jié)果。

在計(jì)算過(guò)程中，需要對(duì)上面的控制方程組在交錯(cuò)網(wǎng)格系中進(jìn)行離散，在時(shí)間上、空間上、對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)上，分別采用顯式的二階精度的預(yù)測(cè)-校正格式、二階精度的差分格式、基于Superbee通量限制器的TVD格式、中心差分格式。

3 模擬仿真參數(shù)假設(shè)

為了計(jì)算方便，本文采用一個(gè)長(zhǎng)度為600.0m、寬度為300.0m、高度為100.0m的計(jì)算域模型（圖1所示）。將航空母艦?zāi)Ｐ头胖糜诖怪睂?duì)稱面上，此時(shí)y=0。航空母艦的甲板前沿位于域入口80.0m處的位置。根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定航空母艦?zāi)Ｐ偷募装宓拈L(zhǎng)、寬、距離水面高度分別為340.0m、78.0m、20.0m，用一個(gè)長(zhǎng)、寬、高為20.0m、12.0m、20.0m的立方體來(lái)代替航空母艦?zāi)Ｐ偷呐瀺u，立方體的中心到甲板的前沿為206.0m。

在仿真計(jì)算過(guò)程中，為了方便簡(jiǎn)化，在暫不考慮海浪以及艦船搖擺的影響條件下，將海面設(shè)定為水平的固體壁面，以給定速度的風(fēng)，從計(jì)算域入口（x=0）吹入，計(jì)算域的出口和垂直側(cè)面采用自由邊界，計(jì)算域的上表面則采用滑移邊界。

圖1 航空母艦仿真模型與計(jì)算區(qū)域示意圖

在計(jì)算域的開(kāi)口表面上，對(duì)于法向速度分量來(lái)說(shuō)，如果指向域外，則各變量取為自由邊界面條件；如果指向域內(nèi)，則各變量取為外界環(huán)境空氣的參數(shù)。在模擬仿真過(guò)程中，必須要考慮進(jìn)口處的各種擾動(dòng)，因此對(duì)速度邊界條件需要加上隨機(jī)噪聲（取均勻分布）。

利用大渦模擬軟件 FDS6.1[11～12]進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，按照均勻網(wǎng)格將計(jì)算域在各坐標(biāo)各個(gè)方向上進(jìn)行劃分，網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)數(shù)目600×300×100；取大氣溫度為20℃，Γ為-0.005K/m；給定風(fēng)速15m/s；計(jì)算時(shí)間取為100.0s，時(shí)間步長(zhǎng)由CFL數(shù)確定。

4 模擬仿真分析

理論研究表明在航母的艦載直升機(jī)著艦時(shí)，受較高空間風(fēng)影響較大。為了分析高空間風(fēng)影響的特點(diǎn)，首先需要在正向來(lái)風(fēng)情況下，研究距艦艏不同距離位置處壓強(qiáng)隨著時(shí)間的變化規(guī)律，圖2中給出了對(duì)稱面y=0上、甲板以上高度z=5m、距艦艏不同距離位置處壓強(qiáng)隨著時(shí)間變化規(guī)律。

從仿真計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)時(shí)間到達(dá)80s以后，整個(gè)模擬過(guò)程達(dá)到了時(shí)均穩(wěn)定。由仿真結(jié)果可以看出，沿著航母艏艉線、距離艦艏5m和120m、甲板上方5m位置處的壓強(qiáng)隨著時(shí)間變化的規(guī)律基本一致，但是在距離艦艏220m和320m的位置時(shí)，盡管高度認(rèn)為5m，壓強(qiáng)隨著時(shí)間變化卻有所不同，220m和320m處的時(shí)均值較艦艏的低，而前一點(diǎn)壓強(qiáng)變化的周期與艦艏的接近，而后一點(diǎn)壓強(qiáng)變化的周期相比艦艏的有所增加。注意：距艦艏220m的點(diǎn)與艦島基本平齊，而距艦艏320m的點(diǎn)離艦艉25m。由此說(shuō)明，越靠近艦艉，甲板上方渦流場(chǎng)壓強(qiáng)的變化幅度越大，靠近艦艉區(qū)域每隔一段時(shí)間，出現(xiàn)與艦艏部分周期接近的壓強(qiáng)平穩(wěn)變化，然后又出現(xiàn)一段變化幅度較大、周期較長(zhǎng)的劇烈壓強(qiáng)變化。

圖2 正向來(lái)風(fēng)條件下航母甲板上方不同位置處壓強(qiáng)隨著時(shí)間變化的模擬結(jié)果

圖3給出是：當(dāng)甲板風(fēng)達(dá)到時(shí)均穩(wěn)定（t=80s～100s）時(shí)，在甲板上方區(qū)域內(nèi)，距艦艏不同距離垂直截面上的時(shí)均速度分布模擬仿真。圖3（a）、（b）和（c）位于艦島前，由該三幅圖可以看出，在航母甲板前面部分，在兩舷處誘導(dǎo)出了兩個(gè)渦，距艦艏越遠(yuǎn)，這兩個(gè)渦的強(qiáng)度越小。圖3（d）、（e）和（f）位于艦島之后，由這三幅圖看出，左舷處的渦已經(jīng)衰減到非常弱，而在右舷附近，航母艦島和艦身的綜合作用，誘導(dǎo)出了一個(gè)又高又大的渦，并在渦右側(cè)產(chǎn)生了非常明顯的下洗速度區(qū)域，距艦艉越近，該渦的強(qiáng)度和下洗速度越小。

為了分析渦流場(chǎng)對(duì)甲板上方速度分布的影響，圖4給出是：當(dāng)甲板風(fēng)達(dá)到時(shí)均穩(wěn)定（t=80s～100s）時(shí)，航母艏艉線附近甲板上方的時(shí)均速度分布仿真。由圖4（a）和（b）看出，在靠近艦艏的甲板中心區(qū)域上方，流場(chǎng)的時(shí)均速度分布雜亂無(wú)章，沒(méi)有一個(gè)固定的流動(dòng)趨勢(shì)，越靠近艦艏，上層區(qū)域的上升氣流越明顯。而由圖4（c）則看出，在這一截面上，時(shí)均速度分布具有了一定的趨勢(shì)，即風(fēng)由右舷向左舷流動(dòng)，并在右舷側(cè)產(chǎn)生了較大的上升氣流，該截面距離艦島僅20m，這可能是氣流在艦島上發(fā)射引起的。圖4（d）為艦島后4m處的時(shí)均速度分布，在甲板左側(cè)區(qū)域，氣流具有向左流動(dòng)的趨勢(shì)，這說(shuō)明是由上游氣流具有較大的右向左運(yùn)動(dòng)的慣性決定的；而在右側(cè)區(qū)域，氣流則具有向上、向右運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這是艦島繞流尾部低壓區(qū)誘導(dǎo)產(chǎn)生的。到了x=350m和x=400m截面處，由于艦島繞流尾部低壓區(qū)誘導(dǎo)作用，在圖示整個(gè)區(qū)域內(nèi)，整體上氣流具有了由左向右運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，并且右側(cè)的上升速度明顯地超過(guò)了左側(cè)。

圖3 甲板風(fēng)時(shí)均穩(wěn)定后，距艦艏不同距離垂直截面上時(shí)均速度分布

圖4 甲板風(fēng)時(shí)均穩(wěn)定后，距艦艏不同距離垂直截面上時(shí)均速度分布

圖5給出是：當(dāng)甲板風(fēng)達(dá)到時(shí)均穩(wěn)定（t=80s～100s）時(shí)，分別在航母甲板后方x=450m、x=500m處垂直截面上的時(shí)均速度分布模擬仿真。從該圖看出，在這些截面上存在著6個(gè)渦，航母艏艉對(duì)稱面附近3個(gè)，左側(cè)區(qū)域1個(gè)，右側(cè)區(qū)域2個(gè)（上下分布），它們之所以不對(duì)沉分布，是因?yàn)楹侥笌缀纬叽绮粚?duì)稱造成的。艏艉對(duì)稱面附近這3個(gè)渦高度較低，對(duì)直升機(jī)起降影響不大；而另外3個(gè)渦則有較大的影響。比較起來(lái)，左側(cè)僅有一個(gè)渦，顯然流場(chǎng)更為平緩。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在低馬赫數(shù)氣流條件下，依據(jù)運(yùn)動(dòng)控制方程組，利用湍流大渦模擬方法，對(duì)航母甲板風(fēng)渦流場(chǎng)在正向來(lái)風(fēng)時(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論。

1）航母甲板的前部上方壓強(qiáng)隨著時(shí)間變化的規(guī)律（時(shí)均值大小、變化幅度與周期）基本一致；后部甲板上方壓強(qiáng)隨著時(shí)間變化有所不同，盡管其時(shí)均值接近，但離艦艉越近，壓強(qiáng)變化幅度與周期越大。

圖5 航母后方垂直截面上的時(shí)均速度分布

2）靠近艦艉區(qū)域，每隔一段時(shí)間出現(xiàn)與艦艏部分周期接近的壓強(qiáng)平穩(wěn)變化，然后出現(xiàn)一段變化幅度較大、周期較長(zhǎng)的劇烈壓強(qiáng)變化。

3）前部甲板左右兩舷誘導(dǎo)出了兩個(gè)渦，距艦艏越遠(yuǎn)，渦的強(qiáng)度越小。后部甲板左舷處的渦非常弱，右舷則產(chǎn)生了一個(gè)又高又大的渦，并在渦右側(cè)產(chǎn)生了非常明顯的下洗速度區(qū)域，距艦艉越近，該渦的強(qiáng)度和下洗速度越小。

4）在艦后橫向垂直截面上存在著6個(gè)渦，艏艉對(duì)稱面附近3個(gè)，左側(cè)區(qū)域1個(gè)，右側(cè)區(qū)域2個(gè)（上下分布）。艏艉對(duì)稱面附近這3個(gè)渦高度較低，對(duì)直升機(jī)起降影響不大；而另外3個(gè)渦高度較大，會(huì)有較大的影響。比較起來(lái)，左側(cè)僅有一個(gè)渦，顯然此區(qū)域流場(chǎng)較為平緩。