上層建筑結構對甲板流場影響的數值研究

鐘兢軍，耿 雪，孫 鵬，葉正華，高 瑞

(1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連116026;2.中國船舶工業集團公司 第七〇八研究所，上海200011)

0 引 言

艦船上層建筑容納并承擔了各種電子信息裝備、天線、機電設備等，對艦船的整體性能起著決定性的影響［1-2］。上層建筑是誘發甲板空氣湍流的主要因素［3］，風掠過有銳緣鈍體作用的上層建筑時，產生陡壁體效應，在其后方形成無風區、渦流區、紊流區等。因此，上層建筑結構形式對甲板空氣流場的影響研究對新型艦船的研制設計以及現有艦船的改裝設計都有重要意義，同時也為艦船、艦載機體系作業提供可靠的安全保證。

2002年，美國海軍航空系統司令部開始以“塞班”號為平臺，結合實船測量和風洞試驗數據，利用CFD 計算工具來預報“塔拉瓦”級具有島式上層建筑的艦船上層建筑引起的空氣流場特性［4］。2007年，英國CVF 項目設計團隊開始對CVF 及現役的“無敵”級航母進行CFD 建模，以對CVF的氣流場特性進行研究并與現有船型進行對比。這是航母開發設計領域首次在新型號開發過程中建立氣流場數值模型［5］。顧蘊松、洪偉宏［6-7］等以美國LHA 型艦船1/120的縮比模型為基本模型，研究了艦島位置和尺寸對甲板氣流場的影響，并分析了對短距離/垂直起降艦載機可能產生的影響。陸超、姜治芳等通過對美國LHA 型艦縮比模型的數值建模，結合2 種艦載機起降的氣流場限制條件對計算結果進行對比分析。在相同的定常來流工況下，分別以±15°風向角對該型艦數值模型的2個起降點進行模擬取值，結合直升機和固定翼短距/垂直起落飛機的起降特性和氣流限制條件，嘗試提出一種評估艦船氣流場特性的直觀方法，并得出不同甲板氣流區域受上層建筑影響的有關結論［8-10］。

對于具有全通飛行甲板的船體，其島式上層建筑的結構形式及尺寸出現了多樣化的趨勢，對迎風方向后方的氣流場產生影響，進而影響甲板工作單元。為了解上層建筑結構及尺寸對甲板流場，尤其是對直升機起降影響的初步規律，本文對4 種模型進行數值模擬，結合直升機起降標準，對比分析上層建筑結構對甲板流場的影響。

1 數值計算方法

1.1 計算模型及網格

上層建筑結構形式如圖1所示，定義λ 為上層建筑寬度與船寬的比值，主要針對寬度為λ=0.21和λ=0.24的2 種上層建筑結構形式的船型開展研究。

圖1 兩種上層建筑結構形式Fig.1 Superstructure types

計算域選取遵循阻塞率限定，即保證XY 平面內的阻塞率約為0.5%，YZ 面阻塞率約為0.5%，XZ 面阻塞率約為1.84%，如圖2所示。考慮到整體網格數較多，所以將計算域分為3個部分:船體周圍是重點求解和分析的區域，因此網格較密;其他2個區域網格較疏。通過對上層建筑及甲板附近網格進行加密(見圖3)進行網格無關性驗證，最終確定網格數為2 630 000個。為驗證數值計算的合理性，進行縮比船模風洞試驗與原型船模的數值仿真計算，具體比較結果參見文獻［11］。

圖2 計算域分區Fig.2 Computational domain

圖3 上層建筑表面網格分布Fig.3 Superstructure mesh

1.2 邊界條件

計算中氣流速度設定為20 m/s，求解0°、右舷15°和左舷15°來風條件下的流場結構。邊界定義如圖4所示:“上面”和“前面”設為速度入口，“后面”設為壓力出口，“下面”、甲板及上層建筑定義為壁面邊界，“左面”和“右面”則視風向不同設置為速度進口或速度出口。流體設為不可壓理想氣體。進口給定來流速度，出口設為標準大氣壓，進出口的流動方向按照不同風向條件分別設置。計算域下面和船體表面均設為無滑移壁面。使用基于密度法顯示求解器進行求解，湍流模型選用標準k-ε雙方程模型，Courant 數設為0.8，離散化各項均設為2 階迎風格式。

圖4 邊界條件Fig.4 Boundary definition

2 計算結果分析

為了分析上層建筑對甲板流場的影響，將甲板分為6個區域，如圖5所示。假定直升機起降時旋翼中心位于各區域中央，分別截取沿首尾方向(Y方向)和舷方向(X 方向)的截面，其中X2和X2截面的交線經過直升機旋翼中心;Y3截面靠近舷側，X3截面為船尾一側。各區域坪對應的Y 方向截面重合。

圖5 分析截面示意圖Fig.5 Sketch map of study section

2.1 上層建筑對甲板上方氣流速度分布的影響

研究表明，對直升機起降過程影響較大的是下沖氣流和渦流區。以甲板流場中氣流速度沿Z軸分量Vz為負值的范圍作為評判氣流場好壞的判據，來討論4 種上層建筑結構對甲板氣流場的影響。Vz為負值的范圍小或其影響到的甲板范圍小，則該氣流場品質較高，相應的上層建筑結構較合理。

圖6～圖8所示為0°、右舷15°、左舷15°風向時4 種上層建筑結構船型的下沖氣流分布。由圖可見，下沖氣流區域可分為3個部分:1)氣流繞流船首甲板形成的“首區下沖氣流”;2)氣流繞流上層建筑在下風向區域形成的“建筑下沖氣流”;3)氣流繞流船尾甲板形成的“尾區下沖氣流”。其中“建筑下沖氣流”區影響范圍最大，即上層建筑是引起下沖氣流的主要因素。

0°風向時， “建筑下沖氣流”主要集中在上層建筑附近，對甲板及建筑后方流場影響較小; “首區下沖氣流”對1 號位有些影響，但范圍不大;“尾區下沖氣流”僅影響到船后小部分區域，對甲板流場沒有影響。0°風向時，各結構對應的“建筑下沖氣流”范圍略有差異，λ=0.24 對應的“建筑下沖氣流”影響范圍略大于同結構λ=0.21的情況，即主建筑寬度增加使得上層建筑后的下沖氣流范圍增加。

圖6 風向0°下沖氣流影響區域Fig.6 3D distribution of downwash flow with 0°wind

圖7 風向右舷15°甲板下沖氣流影響區域Fig.7 3D distribution of downwash flow with the starboard wind

圖8 風向左舷15°甲板下沖氣流影響區域Fig.8 3D distribution of downwash flow with the portside wind

右舷15°風向時，各上層建筑結構對應的流場十分相近:3個部分的下沖氣流區融合在一起，使甲板1～6 號區域都受到下沖氣流影響;“建筑下沖氣流”使3～6 號區域沿船舷和船高方向都受到嚴重影響;1 號和2 號區域下沖氣流主要為“首區下沖氣流”，因而舷向范圍較大而船高方向影響較小。此風向條件時，上層建筑結構引起的流場差異不明顯。

左舷15°風向時，1 號區域受到“首區下沖氣流”影響，4 種方案受影響范圍基本一致;“建筑下沖氣流”對甲板區域沒有影響;氣流繞流甲板右舷在右舷附近形成小范圍的下沖氣流區。主建筑結構變化對流場結構的影響明顯。

除0°風向外，其余風向都使上層建筑迎風截面積增加，從而使繞流區增加，下沖氣流范圍增加。右舷風向時，繞流區經過甲板區域，因而使得甲板流場惡化;而左舷風向時，上層建筑引起的“建筑下沖氣流”不流經甲板，因而對甲板流場沒有影響。

圖9 給出不同風向時，上層建筑結構I 型，主建筑寬度λ=0.24的Y2截面的速度等值線分布。0°風向時，“首區下沖氣流”對1 號區域的影響范圍為甲板上方8 m，船首30 m的范圍內。右舷15°風向時，甲板上方都受到下沖氣流的影響，結合前面的分析可知:1 號和2 號區域甲板上方16 m 內受到“首區下沖氣流”影響。3 號區域上方20 m 內受到“建筑下沖氣流”的影響，而4～6 號區域上方40 m 范圍內都存在“建筑下沖氣流”。這是因為上層建筑前端矮，繞流此處的氣流流經3 號區域，受影響的高度范圍低于受桅桿尾流影響的4～6 號區域。左舷15°風向時，1 號區域上方8 m 內受“首區下沖氣流”影響，其余區域無下沖氣流。但需要指出，此時甲板上方10 m 內沿高度方向的速度梯度變化較大，可能會對直升機俯仰飛行的平衡性造成一定影響。

圖9 λ=0.24的I 型上層建筑對應的Y2 截面速度等值線Fig.9 Velocity contour on Y2 with superstructure type I and λ=0.24

2.2 上層建筑對甲板上方湍動能分布的影響

英國CAP437 標準規定直升機起降區域豎直方向速度的標準方差不能超過1.75 m/s。在CFD 數值模擬中若采用兩方程模型，基于湍流應力各向同性的假設，則標準方差可采用湍動能k 來體現，即湍動能k 不大于4.59 m2/s2［12］。

圖10～圖12所示為不同風向Y2截面的湍動能云圖，圖中紅色區域為湍動能超過4.59的危險區域。0°風向時，1 號和2 號上方10 m 范圍內湍動能超出限制值，甚至影響到3 號區域部分范圍，不同結構對應的湍動能分布相似。右舷15°風向時，1 號和部分2 號區域，4 號、5 號和部分6 號區域上方湍動能超過限制值。在船首附近，不同結構對應的湍動能超限區范圍相近，因為該處湍動能變化主要源于船首結構的影響;而4～6 號區域湍動能分布因上層建筑結構不同而存在明顯差異:I 型結構對應的高湍動能區小于II 型，寬度λ=0.21 對應的高湍動能區小于λ=0.24，顯然I 型結構λ=0.21 對應的湍動能超限區范圍最小。左舷15°風向時，只有1號區域上方湍動能超限，且不同上層建筑對應的湍動能分布相近。另外，船尾處高湍動能區對甲板上方沒有影響。

圖10 風向0°Y2 截面湍動能云圖Fig.10 Turbulent kinetic energy contour on Y2 with 0°wind

圖11 風向右舷15°Y2 截面湍動能云圖Fig.11 Turbulent kinetic energy contour on Y2 with starboard wind

圖12 風向左舷15°Y2 截面湍動能云圖Fig.12 Turbulent kinetic energy contour on Y2 with portside wind

圖13 分析位置示意圖Fig.13 Sketch map of study section

圖14 不同上層建筑對應的各區域上方5 m 處湍動能分布Fig.14 Turbulent kinetic energy distribution 5 meters above the analyzed zone

從前面的分析可知，1～2 號區域的高湍動能區和下沖氣流區是氣流繞流船首造成的，與上層建筑結構無關。只有3～6 號區域上方流場分布受上層建筑結構的影響。因此選取3 號、5 號和6 號區域進行研究。在各區域對應的X2截面上5 m 高度處沿船舷方向截取直線，如圖13所示。這些直線上的湍動能沿舷向分布如圖14所示。圖中橫坐標表示船的相對寬度，縱坐標表示湍動能。x=0.75 處直線表示直升機旋翼軸所在位置。圖例中I和II 表示上層建筑結構類型，0.21和0.24 表示主建筑寬度，后面數字表示研究區域位置編號。從圖中可以看出，0°風向時，除3 號區域靠近上層建筑一側(x 值小的一側)外，其余位置各結構方案對應的湍動能分布十分相近。僅在3 號區域上方存在湍動能較大區域，且越靠近上層建筑湍動能越大。上層建筑附近，相同舷向位置處，I 型0.24寬上層建筑對應的湍動能最大，II 型0.21 寬上層建筑對應的湍動能最小;且湍動能隨著主建筑寬度增加而增大。

右舷15°風向時，3 號區域湍動能最低，但靠近建筑物一側湍動能急劇增加。這是因為氣流在上層建筑周圍造成劇烈的速度脈動，但受風向的影響，這些紊亂的氣流被帶到下游其他區域，并沒有影響到3 號區域。6 區域上方湍動能沿舷向變化較平緩，且在限制范圍內。5 號區域各上層建筑方案對應的湍動能都超過極限值，并且在直升機旋翼軸左側湍動能沿舷向維持較高值，變化平緩;而右側湍動能逐漸減小。結合3 號位的分析及湍動能三維圖(見圖15)可知，上層建筑是造成氣流紊亂的主要因素，但紊亂的氣流是否對流場造成影響還取決于氣流方向。本文研究中上層建筑引起的紊亂氣流被帶到5 號區域，使5 號位上方湍動能增加，同時紊亂氣流在流動過程中逐漸減弱，并沒有對左舷側和6號區域造成太大影響。

圖15 右舷15°風向湍動能云圖Fig.15 Turbulent kinetic energy contour with starboard wind

3 結 語

本文采用數值模擬方法研究了不同風向條件下4 種上層建筑方案對應的甲板氣流場，結合直升機起降標準，分析了風向、上層建筑結構對甲板上下沖氣流和湍動能分布的影響，得到如下結論:

1)將船體及甲板周圍的下沖氣流按其成因分為“首區下沖氣流”、“建筑下沖氣流”和“尾區下沖氣流”。除0°風向外，其余風向都使上層建筑迎風截面積增加，從而使繞流區增加，下沖氣流范圍增加。右舷風向時，繞流區經過甲板，從而影響直升機的起降。

2)上層建筑結構形式變化使建筑尾流區改變，從而影響其后的下沖氣流范圍;主建筑寬度增加，建筑后方下沖氣流的范圍越大。

3)湍動能高的區域必然存在下沖氣流，但存在下沖氣流的區域湍動能不一定超限。上層建筑是造成氣流紊亂的主要因素，但紊亂的氣流是否對流場造成影響還取決于氣流方向。湍動能標準給出了具體的限制值，便于定量衡量;而速度梯度在研究中僅作為定性分析的參考。本文研究中λ=0.21的I 型建筑結構對應的甲板流場質量較好。

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