上層建筑形式及布局對艦船空氣流場的影響

洪偉宏 姜治芳 王 濤

1中國人民解放軍海軍裝備部，北京100073

2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

上層建筑形式及布局對艦船空氣流場的影響

洪偉宏1姜治芳2王 濤2

1中國人民解放軍海軍裝備部，北京100073

2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

艦船上層建筑是誘發艦船艦面空氣湍流的主要因素，對于具有全通飛行甲板的艦船，其島式上層建筑的外形及布置則出現了多樣化的趨勢，對迎風方向后方的氣流場形態勢必會產生影響。為了解上層建筑外形及布局形式的變化對艦船空氣流場，尤其是對艦載機起降影響的初步規律，通過定常同等試驗工況條件下，建立多種形式的上層建筑以及變化研究模型上層建筑縱向的布置位置的數值三維模型，對5種模型分別進行數值模擬計算，分析和觀察由此產生的氣流場變化，對計算結果進行取值分析。通過各模型及原型艦模型間氣流場特性的對比，所得出的有關結論與目前實際的艦船產品所采用的布置形式決策是一致的。

空氣流場；上層建筑布置；影響評估；艦船

1 引言

艦船空氣流場的變化取決于很多因素，其中，艦船上層建筑的形式與布置對迎風方向的氣流場形態的影響一直是備受關注的課題。在船寬方向空間有限的情況下，上層建筑的縱向布置位置的較大幅度變化以及不同外形對艦船空氣流場的影響程度，本文以LHA兩棲攻擊艦作為參考［1］，建立了不同上層建筑布局和外形的艦船模型進行同等實驗工況條件下的數值模擬計算，并通過對計算數值結果和圖像顯示對各方案的氣流場特性進行了比較和評估。

2 上層建筑布置位置變化對氣流場的影響

根據已有文獻，本文選定美國海軍LHA兩棲攻擊艦為基本模型，該艦為典型的全通甲板右島結構，對觀察艦面空氣流場形態提供了便利。由于在對原型艦氣流場相關計算中發現，該艦的島式上層建筑為垂直多面體形式，頓體效應明顯，對飛行甲板區域的氣流場會產生較明顯的影響［2］，因此本文在不改變其他布置形式的情況下，通過前／后移動島式上層建筑的縱向位置分別建立數值模型，模型比例為1／120。LHA型艦飛行甲板及上層建筑布置［3，4］，如圖1所示。

圖1 LHA型艦飛行甲板及上層建筑布置圖

圖1中，LHA艦上層建筑位于飛行甲板中間位置，飛行甲板共劃分有9個起降點供直升機［5］或AV－8B短距／垂直起降戰斗機進行起降作業［6］，左舷起降點基本按照30.4 m間距等距排列，其中箭頭所指為該艦的兩個典型起降點。艦首處為2號起降點，上層建筑附近為7號起降點，本文將在數值計算中將他們作為主要取值區域。

考慮到移動的幅度過大或過小實際意義不大，島式上層建筑一般不布置在左舷，在參考國外全通甲板艦船布置形式后本文以一個起降點間距為移動幅度，分別以前移／后移30.4 m、模型移動距離0.26 m建立兩個方案模型。利用ANSYS ICEM進行網格劃分。隨后在ANSYS CFX中設定來流甲板風速30 kn（15.432 m／s）、0°和±15°風向角等3種工況下進行數值模擬計算。以下是對計算結果的分析。

根據LHA搭載艦載機的基本氣動性能，考慮到氣流場對飛機起降作業的影響結合簡單的評估方法，本文對各方案中2號、7號起降點區域的橫向垂直速度分布進行了取值，并與LHA原型布置方案的計算結果進行對比。首先對2號起降點取值結果進行分析。

2.1 2號起降點區域結果分析

前移上層建筑方案3種工況下2號起降點垂直速度分量，后移上層建筑方案3種工況下2號起降點垂直速度分量分別如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，2號起降點受上層建筑位置變化的影響極小，所取數值基本重合。這是由于2號起降點位于甲板前部，即使在前移方案中也與上層建筑相隔一個起降點的距離，其數值也沒有明顯變化。

2.2 7號起降點區域結果分析

為了詳細分析7號起降點區域在不同方案時的氣流狀態，引入針對LHA艦載機起降的垂直速度分量極限值0.837 5 m／s進行衡量，并在相應圖表中標出。

圖2 前移上層建筑2號起降點與原型布置位置垂直速度分量對比

前移上層建筑方案3種工況下7號起降點垂直速度分量如圖4所示。

由于上層建筑遠離7號起降點區域，在0°風向角時垂直速度值有所下降，右舷一側速度值躍變點減少，氣流速度有連續變化的趨勢。±15°時的氣流變化則比原型艦更趨平穩。

圖3 后移上層建筑2號起降點與原型布置位置垂直速度分量對比

圖4 前移上層建筑7號起降點與原型布置位置垂直速度分量對比

后移上層建筑方案3種工況下2號起降點垂直速度分量如圖5所示，上層建筑后移使7號起降點左舷區域被遮蔽，因此在0°、－15°時右舷部分的垂直速度值出現明顯躍變，＋15°時的垂直速度值的變化趨勢更為緩和。

圖5 后移上層建筑7號起降點與原型布置位置垂直速度分量對比

2.3 三維流線圖像對比分析

為更加直觀地了解各方案的氣流場狀況，本文還結合CFX生成的三維流線圖像（圖6）進行了分析。

圖6顯示了0°風向角時兩種方案甲板附近高度的氣流流線形態，由于后移方案使上層建筑較晚“干擾”來流，使飛行甲板前段區域的氣流較為平順；前移方案雖然減緩了上層建筑后部氣流的變化趨勢，但是由于其提前產生了湍流，對整個后甲板區域的氣流干擾也是十分明顯的。其他工況下的三維氣流圖像與所取數值的變化規律基本吻合，由于篇幅限制這里不再贅述。

3 上層建筑小型化對艦船空氣流場的影響

在對LHA原型艦模型進行氣流場模擬計算時發現，該艦島式建筑尺寸為51.3 m×12.16 m［3］，長寬比4.2，相對寬大，對其附近區域的氣流場干擾較為明顯。而該型后續艦LHD“黃蜂”級兩棲攻擊艦雖然船體進一步放大，飛行甲板加長達7 m，其上層建筑尺寸卻明顯減為49.4 m×10.64 m［7］，且較LHA型上層建筑瘦長。這種設計除了加大了艦面可用面積之外，是否也改善了上層建筑附近及后方的氣流場環境將是本文的一個入手點。為了形成明顯的對比，本文在LHA型艦體上采用了一個原型上層建筑尺寸0.8比例的小型化上層建筑并建立模型。

本文在ANSYS ICEM中建立1／120數值模型并劃分網格，導入CFX中進行計算。按照30 kn定常來流（15.432 m／s），0°、±15°風向角統一工況對各方案進行分析，后文分析計算中也將采用相同計算條件。取值區域選定為上層建筑后方的7號起降點區域［3，4］，根據氣流場評估的簡單方法將引入0.837 5 m／s的垂直速度限制值輔助分析。

小型化上層建筑模型與原型數值模型如圖7所示。圖8為7號起降點垂直速度分量。由圖8可見，當上層建筑尺寸明顯減小后，甲板區域以內的氣流速度分布總體趨于平穩，在±15°工況下低于極限垂直速度的取值點增加，穿寬方向上適于起降的范圍也相應增大。

圖7 小型化上層建筑與LHA原型艦數值模型圖

圖8 小型化上層建筑與原型艦7號起降點區域垂直速度分量圖（深色線處為0.837 5 m／s）

4 大長寬比上層建筑對艦船空氣流場的影響

同時，本文還發現LHD上層建筑的長寬比（L／B）較LHA原型艦上層建筑的長寬比有較明顯增加，達4.6。本文設想在LHA上層建筑的基礎上進一步加大長寬比，以觀察氣流場是否會有明顯變化。為此，將長寬比等差放大至5.0，即尺寸為53.2 m×10.64 m，其計算結果取值圖如圖9所示。

如圖9所示，經過與原型長寬比4.2的上層建筑所得數值的對比，可以發現加大長寬比在15°風向角時的垂直氣流速度分布有一定改善，甲板范圍內船寬方向上的垂直速度值明顯下降，但0°、－15°工況下的變化并不明顯。

圖9 大長寬比上層建筑與原型艦7號起降點區域垂直速度分量圖（深色線處為0.837 5 m／s）

5 帶弧面上層建筑對艦船空氣流場的影響

除了加大長寬比可以改變氣流場狀態之外，也注意到頓體效應主要是由上層建筑各平面間的直角聯接方式引起的［8，9］。考慮到國外艦艇多有采用帶弧面的上層建筑形式的設計［10］，本文在LHA原型上層建筑的基礎上在前后端面以直徑等寬的圓弧面替代垂直面，對帶弧面上層建筑進行數值計算。帶弧面上層建筑數值模型如圖10所示。

圖10 帶弧面上層建筑的數值模型

計算后所得各工況垂直速度分量值如圖11所示。圖11顯示在0°風向角時，帶弧面上層建筑后方氣流垂直速度值躍變程度遠高于原型上層建筑，而＋15°時垂直速度值分布在左舷一側趨于平穩，0°、－15°時的垂直速度值則在右舷上層建筑后方出現散點。

圖11 帶弧面上層建筑與原型艦7號起降點區域垂直速度分量圖（深色線處為0.837 5 m／s）

圖12顯示了帶弧面上層建筑與原型上層建筑模型在＋15°風向角時的三維流線對比圖像，由于弧面上層建筑外形起到了一定的整流作用，弧面上層建筑的后方流線沒有出現明顯發散，使得該工況下的速度變化趨勢較為平穩，這與上文的數值顯示是一致的。

圖12 帶弧面上層建筑模型與原型上層建筑模型＋15°風向角三維流線圖

6 各方案氣流場特性的簡單評估

綜合以上分析，本文根據各個方案的數據結果繪制了前移／后移上層建筑2號、7號起降點區域的起降限制扇面，由于2號起降點與原型方案基本相同，后續上層建筑外形變化方案僅反映7號起降點的區別。

圖13顯示了上層建筑移動后與原型艦在7號起降點區域的起降扇面分布，可以發現上層建筑后移使得7號起降點的可起降范圍明顯減少，前移對0°風向角時該區域的可起降區域有所擴大，其他角度的改善則不顯著。

圖14顯示了3個上層建筑外形變化方案起降扇面圖，可以觀察到小型化的可起降范圍有所加大，大長寬比方案和帶弧面上層建筑方案在15°工況時的可起降范圍有一定增加，帶弧面上層建筑方案并未改善7號起降點區域針對短距／垂直起降艦載機的氣流場適用性，反而在0°和－15°工況下的起降扇面有所減小。

7 結束語

綜上所述，在僅討論艦面氣流場特性的前提下，島式上層建筑靠前的艦船可以改善后部甲板的氣流場環境。而島式上層建筑靠后的艦船則可以擴大前部甲板適宜艦面作業的范圍，但是對上層建筑附近和后方區域的氣流場則會產生明顯的干擾，對搭載短距／垂直起降飛機的艦船影響不大，但是對需要從后半球進行著艦作業的艦船是不利的。這也是目前一些輕型航母采用靠后上層建筑的原因，在總體布置其他因素限制了上層建筑的位置時，則需要通過改變其尺寸和外形來改善氣流場狀況，本文通過對多個上層建筑外形方案進行對比計算發現，減少上層建筑尺寸可以較明顯地改善上層建筑附近區域的艦船空氣流場特性。加大上層建筑長寬比則在15°工況下有明顯改善。帶弧面的上層建筑在15°工況下左舷甲板部分的垂直速度值有所下降，且對飛行甲板后方氣流起到了一定的整流作用，但

圖13 前移／后移上層建筑與原型艦起降限制扇面對比圖（非陰影部分為原型艦扇面）

圖14 小型化、大長寬比、帶弧面上層建筑方案7號起降點起降扇面圖（非陰影部分為原型艦起降扇面）

對于以短距／垂直起降方式為主的艦船沒有太大的改良意義。由于使用的是較簡單的評估方法，在有限計算工況下所能論證的深度和范圍是有限的。要對艦船空氣流場的相關特性和規律有更詳細的掌握還必須在數據和理論支持上做更進一步的探索。

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Influence on Air-wake with Different Layout of Ship Superstructure

Hong Wei－hong1Jiang Zhi－fang2Wang Tao2
1 The Equipment Department of PLAN，Beijing 100073，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The ship's superstructure is a primary factor that would causes turbulence in the air，and it is sure to change the ship＇s air－wake when the layout of these structures has been changed.This paper has simulated five different layout arrangements for a number of conditions，attempted to identify the influences to the ship＇s air－wake，especially to the taking－off／landing for the ship－based aircrafts.The evaluation was made based on the simulation results.Those analyses verified the real layout decisions of some STOVL ships.

air－wake；layout of superstructure；impact evaluation；ship

U663.6

A

1673－3185（2009）02－53－06

2008-11-24

洪偉宏（1972－），男，工程師，工學碩士。研究方向：船舶工程

姜治芳（1965－），女，研究員，碩士生導師。研究方向：艦船總體設計與優化