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        大型船舶空氣尾流場(chǎng)特性的綜合分析

        2021-03-09 07:18:32蘇軾鵬金良安
        艦船科學(xué)技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:船舶分析模型

        蘇軾鵬,吳 明,金良安

        (海軍大連艦艇學(xué)院 航海系,遼寧 大連 116018)

        0 引 言

        大型船舶空氣尾流場(chǎng)是航行時(shí)受上層建筑、船體運(yùn)動(dòng)以及海洋大氣邊界層等的影響,在船體周圍和尾部附近產(chǎn)生的復(fù)雜氣流擾動(dòng),會(huì)危及飛機(jī)海上降落安全。據(jù)美國(guó)安全中心統(tǒng)計(jì),受空氣尾流場(chǎng)的影響,飛行員海上降落過(guò)程中遇到生命危險(xiǎn)的概率遠(yuǎn)高于民航飛行員、陸基飛行員及宇航員等其他類型的飛行員[1]。所以,大型船舶空氣尾流場(chǎng)的相關(guān)研究一直是備受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2]。目前大型船舶空氣尾流場(chǎng)的主要研究方法普遍采用以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬為主,以實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證,幾種方法互相補(bǔ)充配合。在CFD研究中,常用的方法包括雷諾平均Navier-Stokes方程(RANS)、大渦模擬(LES)、直接數(shù)值模擬(DNS)、脫體渦模擬(DES)等[3-11]。

        目前對(duì)大型船舶空氣尾流場(chǎng)的研究已經(jīng)越來(lái)越精細(xì)化,不斷趨近于空氣尾流場(chǎng)的實(shí)際規(guī)律特性。但是還存在一些問(wèn)題,包括:對(duì)大型船舶空氣尾流場(chǎng)中直接影響飛機(jī)海上降落的下滑道氣流場(chǎng)關(guān)注不夠;CFD數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際的工程化模型的對(duì)比研究還較少;從防治角度開(kāi)展的空氣尾流特性研究較少。鑒于此,本文從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā),增加下滑道氣流場(chǎng)的分析,開(kāi)展大型船舶空氣尾流場(chǎng)的CFD數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)等方法的綜合分析,從防治角度研究空氣尾流場(chǎng)的特性。首先采用基于雷諾平均方法(RANS)的Spalart-Allmaras模型(簡(jiǎn)稱SA模型)對(duì)整個(gè)大型船舶空氣尾流場(chǎng)進(jìn)行全面數(shù)值模擬分析,然后針對(duì)理想工況條件對(duì)下滑道氣流場(chǎng)從CFD數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及美軍標(biāo)MIL-F8785C等角度進(jìn)行綜合分析。在傳統(tǒng)研究方法的基礎(chǔ)上加入現(xiàn)有工程化模型進(jìn)行綜合分析,更貼近工程應(yīng)用層面。為大型船舶空氣尾流場(chǎng)的防治提供參考依據(jù)。

        1 方法與模型

        1.1 基本控制方程

        N-S方程由連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程組成,用來(lái)描述粘性流體的運(yùn)動(dòng)。不同過(guò)程則主要由邊界條件和初始條件來(lái)區(qū)別,其矢量形式如下式[12]:

        根據(jù)Stokes假設(shè),由于本文討論的是航母周圍的空氣流動(dòng)為均質(zhì)不可壓縮運(yùn)動(dòng),即▽?duì)?0、▽V=0,加上不考慮熱交換問(wèn)題,可忽略能量守恒方程,所以控制方程可轉(zhuǎn)化為:

        式中:ρ為密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;V為速度矢量,m/s;f為體積力矢量,m/s2;P為作用于流體面上的應(yīng)力;E為單位質(zhì)量流體所具有的總能量;k為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);T為溫度,K;S為能量源項(xiàng),W/m3。

        1.2 基于雷諾平均方法的SA模型

        SA模型的提出是為了改善代數(shù)混合長(zhǎng)度模型模擬的結(jié)果,發(fā)展適用于復(fù)雜流動(dòng)模擬的、提供比兩方程湍流模型更簡(jiǎn)單的模型[13]。SA模型的應(yīng)變量在近壁處與離壁面的距離有線性變化關(guān)系,所以使用SA湍流模型時(shí)在壁面附近不需要采用非常精細(xì)的網(wǎng)格,只需與代數(shù)湍流模型相當(dāng)?shù)木W(wǎng)格即可。因而SA模型具有計(jì)算消耗小、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。

        SA湍流模型表達(dá)式[14]為:

        式中:v? 為湍流場(chǎng)變量;uj為j方向的速度分量;d是場(chǎng)中某點(diǎn)到最近壁面的距離;xi和xj為笛卡爾坐標(biāo)矢量;v= μ/ρ為分子運(yùn)動(dòng)粘度; ρ 是流體密度; μ 是分子動(dòng)力學(xué)粘度。

        1.3 計(jì)算模型及工況設(shè)置

        1.3.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

        采用某型大型船舶實(shí)際尺度模型[15]經(jīng)過(guò)平滑處理后作為幾何模型。同時(shí)為了模擬大型船舶在海上漂浮的狀態(tài),去掉了原模型水線以下部分(如圖1所示),由于不考慮海浪的影響,將處理后的船底水平面作為下邊界。整個(gè)計(jì)算域尺寸 1 400 m×450 m×220 m,內(nèi)計(jì)算域尺寸為 340 m×70 m×100 m。網(wǎng)格采用三維六面體結(jié)構(gòu)多面體網(wǎng)格,船體附近采用加密網(wǎng)格,近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。邊界條件設(shè)置如圖1所示。

        圖1 大型船舶幾何模型Fig.1 Large-scale ship geometry model

        1)入口邊界面,位于大型船舶模型船頭正對(duì)一個(gè)船長(zhǎng)L位置的平面,選用速度入口邊界類型,u=U,v=w= 0,其中U為來(lái)流速度;

        2)出口邊界面,位于大型船舶模型船尾正對(duì)3個(gè)船長(zhǎng)L位置的平面,選用壓力出口邊界類型;

        3)壁面邊界,船體表面為無(wú)滑移壁面,上下左右邊界設(shè)置為滑移壁面。

        1.3.2 工況設(shè)置

        大型船舶空氣尾流場(chǎng)模擬的工況主要是甲板風(fēng)(WOD)風(fēng)向角和風(fēng)速的設(shè)置。設(shè)航向即船頭正對(duì)方向?yàn)?°,順時(shí)針為正。研究表明甲板風(fēng)平行于飛機(jī)降落的斜角甲板時(shí)為最安全的海上降落環(huán)境,而斜角甲板中線與船體中線成7°夾角,所以此時(shí)甲板風(fēng)風(fēng)向角為-7°。此外再考慮大型船舶完全頂風(fēng),即0°角,以及右舷15°受風(fēng)的情況,在此范圍之外,側(cè)向風(fēng)過(guò)于顯著,不適合飛機(jī)海上降落,故不予考慮(見(jiàn)圖2)。甲板風(fēng)風(fēng)速采用 9 m/s,12 m/s以及 15 m/s,一共 9 種工況??刂泼孢x取包括水平面、縱向垂直剖面與橫向垂直剖面3種,各選取有代表性的控制面。運(yùn)行計(jì)算的迭代步數(shù)超過(guò)1 000步,使計(jì)算完全收斂。

        圖2 甲板風(fēng)風(fēng)向角Fig.2 Direction of WOD

        2 計(jì)算結(jié)果分析

        計(jì)算結(jié)果包括速度場(chǎng)和流線分布,通過(guò)對(duì)不同工況條件下空氣尾流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,選出其中流場(chǎng)品質(zhì)最佳的情況,并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果以及美軍標(biāo)MIL-F-8785C進(jìn)行對(duì)比分析。

        2.1 速度場(chǎng)及流線分析

        速度場(chǎng)包括速度標(biāo)量場(chǎng)和速度矢量場(chǎng)2種情況。由圖3可知,速度標(biāo)量場(chǎng)中甲板以下船尾附近存在著一個(gè)明顯的低速區(qū),對(duì)應(yīng)矢量場(chǎng)(見(jiàn)圖4)中水平方向?yàn)橐粚?duì)近似對(duì)稱的渦旋,而垂直剖面方向?yàn)橐粋€(gè)垂直方向的大渦旋區(qū),流線分析有相似的特征(見(jiàn)圖5)。這是空氣尾流場(chǎng)中最明顯、面積最大的渦旋區(qū),是大型船舶尾部下沉氣流的主要來(lái)源,會(huì)對(duì)飛機(jī)海上降落產(chǎn)生影響。所以也是防治研究的重點(diǎn)區(qū)域。幾種工況下這一特征是相似的,同時(shí)也存在一些差異,主要表現(xiàn)在:1)船尾渦旋區(qū)在風(fēng)向角不同的情況下其位置與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有一定差異,-7°與0°的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較接近,而15°在接近船尾附近區(qū)域的下沉氣流分量更加明顯;2)在相同風(fēng)向角下,風(fēng)速越大渦旋越明顯,12 m/s和15 m/s在船尾附近的下沉氣流更明顯(見(jiàn)圖4(a))。

        圖3 船尾的速度標(biāo)量場(chǎng)(甲板風(fēng)風(fēng)向角-7°,風(fēng)速 15 m/s)Fig.3 Velocity scalar field near stern (WOD: -7°, 15 m/s)

        圖4 風(fēng)向角為-7°甲板風(fēng)風(fēng)速為 15 m/s船尾的速度矢量場(chǎng)Fig.4 Velocity vector field near stern (WOD: -7°, 15 m/s)

        圖5 流線分析Fig.5 Streamline analysis

        在甲板以上,船尾部渦旋區(qū)消失,而上層建筑后部的氣流擾動(dòng)出現(xiàn)(見(jiàn)圖6,以甲板風(fēng)為12 m/s時(shí)距甲板3m處水平面為代表,其他幾種情況略)。對(duì)比3種風(fēng)向角可以分析得到,在15°風(fēng)向角時(shí)島后部氣流擾動(dòng)最明顯,并對(duì)甲板后半部及船尾區(qū)域產(chǎn)生明顯的影響,速度梯度較大,而-7°與0°兩種風(fēng)向角下上層建筑后部氣流擾動(dòng)的影響偏弱,其中-7°時(shí)速度場(chǎng)分布最均勻,速度矢量場(chǎng)及流線的特征與之相似(圖略)。在以往的研究中大多只關(guān)注船尾氣流特征,而對(duì)上層建筑后部氣流擾動(dòng)的關(guān)注不夠。從飛機(jī)海上降落安全角度出發(fā),船尾部的渦旋區(qū)以及上層建筑后部的氣流擾動(dòng)區(qū)都是大型船舶空氣尾流場(chǎng)防治研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。文獻(xiàn)[16]中將其界定為一個(gè)次級(jí)空氣尾流場(chǎng),即“上層建筑空氣尾流場(chǎng)”,也是防治研究的對(duì)象之一。

        圖6 甲板風(fēng)速 12 m/s甲板上方 10 m 處的速度標(biāo)量場(chǎng)Fig.6 Velocity scalar field on the surface of 10 m above deck

        綜上分析,甲板風(fēng)風(fēng)向角為-7°時(shí)空氣流場(chǎng)是最理想的工況條件,適于作為飛機(jī)降落的最佳條件。而對(duì)飛機(jī)影響最直接的部分是下滑道氣流場(chǎng),是重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。需提取空氣尾流場(chǎng)中下滑道區(qū)域數(shù)值計(jì)-算結(jié)果,并對(duì)比前期的實(shí)驗(yàn)測(cè)量[16]結(jié)果與工程化模型美軍標(biāo)MIL-F-8785C“雄雞尾流”模型做綜合分析。

        2.2 下滑道空氣尾流場(chǎng)特性研究

        下滑道是飛機(jī)海上降落所經(jīng)過(guò)的航跡線,在水平方向與斜角甲板中線重合,垂直方向與水平面呈3.5°夾角。大型船舶空氣尾流場(chǎng)對(duì)飛機(jī)海上降落安全的影響集中體現(xiàn)在下滑道氣流場(chǎng)的特征上。但是國(guó)內(nèi)的研究大多對(duì)這一重點(diǎn)區(qū)域重視不足。尤其是在數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有國(guó)外工程化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比的綜合研究較少,缺乏實(shí)用性的研究結(jié)論,所以難以形成我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化模型。國(guó)外工程化模型的代表是美軍標(biāo)MIL-F-8785C,其中穩(wěn)態(tài)分量即“雄雞尾流”模型是目前研究的參考依據(jù)。在CFD計(jì)算結(jié)果中提取下滑道區(qū)域,結(jié)合文獻(xiàn)[16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,三者做對(duì)比分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD數(shù)值模擬數(shù)據(jù)均為-7°甲板風(fēng)風(fēng)向角條件。分析中取為海上降落點(diǎn)到船尾一個(gè)船長(zhǎng)的下滑道區(qū)域。根據(jù)美軍標(biāo)MIL-F-8785C,分成水平分量和垂直分量。水平分量的方向是與下滑道向一致的方向,垂直分量是豎直方向。

        2.2.1 水平分量的對(duì)比分析

        水平分量的對(duì)比分析如圖7所示(以15 m/s為例),三者分析的大體趨勢(shì)一致,12 m/s和15 m/s情況下在船尾到200 m左右范圍內(nèi)CFD值總體上小于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與美軍標(biāo)MIL-F-8785C的水平分量,在200~300 m三者值比較接近。其中低速條件下,即9 m/s情況三者整體上較為接近,而在甲板風(fēng)速度較大條件下,CFD計(jì)算的風(fēng)速在下滑道不同區(qū)域的空間分布差異逐漸顯現(xiàn)出來(lái),說(shuō)明CFD計(jì)算結(jié)果能反映出下滑道氣流場(chǎng)水平分量的細(xì)節(jié)特征,而在美軍標(biāo)MIL-F-8785C中由于工程應(yīng)用的需要,濾掉了一些細(xì)節(jié)特征,實(shí)驗(yàn)測(cè)量由于取的是平均值,同樣會(huì)濾掉風(fēng)的變化。總體上三者趨勢(shì)相近,都反映出水平風(fēng)在飛機(jī)海上降落過(guò)程中,沿下滑道飛行時(shí)相對(duì)于海面一直處于順風(fēng)狀態(tài),在距船尾250 m及更遠(yuǎn)處下滑道氣流場(chǎng)水平分量在逐漸減小,250 m附近達(dá)到最小,而后逐漸增大。在總體相同趨勢(shì)中有局部的差異,美軍標(biāo)MILF-8785C中顯示的是線性增大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果在增大過(guò)程中有一定的變化,但總體趨勢(shì)增大,而CFD計(jì)算結(jié)果變化復(fù)雜,在增大的總體趨勢(shì)中有局部的復(fù)雜變化。這是從另外一個(gè)角度反映大型船舶空氣尾流場(chǎng)特性。

        圖7 大型船舶下滑道空氣尾流場(chǎng)3種結(jié)果的對(duì)比Fig.7 Compare of three results of large-scale ship airwake

        2.2.2 垂直分量的對(duì)比分析

        下滑道氣流場(chǎng)中的垂直分量的影響比水平分量更大。由三者垂直分量的對(duì)比分析可知,總體趨勢(shì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果更接近,而與美軍標(biāo)MIL-F-8785C的垂直分量差別較大,具體表現(xiàn)在以下兩點(diǎn):1)實(shí)驗(yàn)與CFD的下氣流最顯著區(qū)位置相比美軍標(biāo)MIL-F-8785C距離船尾部更近,在船尾到30 m的范圍內(nèi),而后者的計(jì)算結(jié)果在距船尾60~70 m之間;2)船尾后氣流由下沉向上升轉(zhuǎn)變的速度變化,實(shí)驗(yàn)和CFD結(jié)果比美軍標(biāo)MIL-F-8785C更平緩。此外,三者有一個(gè)明顯的相似之處:在位于船尾后部150 m附近都存在一個(gè)從下沉氣流到上升氣流的轉(zhuǎn)換區(qū),由于垂直分量的方向變化,正是下滑道氣流場(chǎng)中氣流變化最明顯的區(qū)域,從CFD計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和美軍標(biāo)MILF-8785C三個(gè)角度都證明了這個(gè)區(qū)域的存在。說(shuō)明飛機(jī)海上降落中,在距船尾150 m以外,一直受垂直上升氣流的影響,在經(jīng)過(guò)150 m的位置后轉(zhuǎn)為垂直下沉氣流,在船尾附近達(dá)到最大,美軍標(biāo)MIL-F-8785C顯示為距船尾70 m附近,實(shí)驗(yàn)為距船尾30 m處,最接近船尾,為10 m處。綜合分析,在工程應(yīng)用中可將船尾后10~70 m都作為下沉氣流顯著區(qū)域,是飛機(jī)海上降落需關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域之一,也是防治的重點(diǎn)對(duì)象及防治效果的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。這樣就將研究的結(jié)果轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工程指標(biāo)。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        本文采用國(guó)際上常用的以CFD方法為主、以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為輔,并結(jié)合工程化標(biāo)準(zhǔn)的新型研究方法綜合分析了適用于工程化應(yīng)用和防治的大型船舶空氣尾流場(chǎng)特性,可為工程應(yīng)用以及防治研究提供參考。研究中得到了大型船舶空氣尾流場(chǎng)的總體特征,也分析了下滑道氣流場(chǎng)的特征以及對(duì)飛機(jī)海上降落影響最大的氣流轉(zhuǎn)換區(qū)和下沉氣流顯著區(qū)的位置。在此基礎(chǔ)上分析大型船舶空氣尾流場(chǎng)防治所應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域。主要結(jié)論包括:

        1)大型船舶空氣尾流場(chǎng)最明顯的特征是船尾甲板下方存在明顯的渦旋區(qū),水平方向?yàn)橐粚?duì)近似軸對(duì)稱的渦旋,垂直縱向剖面上是一個(gè)明顯的渦旋,不同風(fēng)向角和風(fēng)速下略有不同。這是空氣尾流場(chǎng)最明顯的氣流擾動(dòng)區(qū)域,是防治的重點(diǎn)區(qū)域。

        2)經(jīng)CFD計(jì)算結(jié)果分析上層建筑后部氣流擾動(dòng)對(duì)船尾部氣流的影響明顯,其中在-7°風(fēng)向角下影響最小,在15°風(fēng)向角下影響最大。這是傳統(tǒng)研究所忽略的部分,同時(shí)也是空氣尾流場(chǎng)防治所需關(guān)注的重要部分。

        3)大型船舶下滑道氣流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)、美軍標(biāo)MIL-F-8785C對(duì)比分析表明:下滑道氣流場(chǎng)中在距船尾150 m處存在氣流轉(zhuǎn)換區(qū),船尾10~70 m存在下沉氣流顯著區(qū),飛機(jī)海上降落過(guò)程中最應(yīng)重視這2個(gè)區(qū)域。在大型船舶空氣尾流場(chǎng)防治研究中,這2個(gè)區(qū)域是防治效果重要的參考評(píng)估指標(biāo)。

        大型船舶空氣尾流場(chǎng)研究的最高目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)改變其結(jié)構(gòu)、消除其影響的防治技術(shù),本文研究的大型船舶空氣尾流場(chǎng)規(guī)律特性可為其防治技術(shù)提供參考和研究支撐,并可在此基礎(chǔ)上加入海浪、氣候變化等其他海洋大氣環(huán)境因素的空氣尾流場(chǎng)特征。

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