正向來風速度對航母起降跑道甲板風影響的大渦模擬

袁書生, 張旭東, 董可海

(海軍航空工程學院,山東 煙臺 264001)

正向來風速度對航母起降跑道甲板風影響的大渦模擬

袁書生, 張旭東, 董可海

(海軍航空工程學院,山東 煙臺 264001)

采用低速氣流運動控制方程組和湍流大渦模擬方法,研究了正向來風不同速度對航母甲板風的影響,得到了不同風速下甲板上方、艏艉對稱面附近、較低高度處壓強和垂向速度隨時間的變化關系。來風風速對起飛跑道上方壓強的影響主要是其時均值,對脈動幅度和隨著時間呈均勻隨機脈動變化的規律影響不大。在起飛跑道的大部分長度上,垂向速度的時均值和脈動幅度并不隨著來風風速單調增加。越靠近起飛點,出現下洗速度的時間越長,速度值越大。來風風速對降落跑道上方壓強時均值和脈動幅度的影響均較大,并出現了壓強大尺度脈動隨著時間周期性變化的規律,壓強脈動幅度隨著來風風速的增加而增加。在整個降落跑道上,垂向速度隨著時間變化均出現了周期性規律。越靠近降落起點,變化周期越小,出現下洗速度的時間越長,速度值越大。

航空母艦; 甲板風; 大渦模擬; 風速影響

1 引 言

航母艦載機起降是一個非常復雜的問題。艦載機起飛和降落過程中,航母甲板風對其運動具有很大的影響,尤其是甲板低場風的脈動特性。從安全起降角度看,該區域的甲板風應具有盡可能高的壓強,流動參數的脈動盡可能的低。

國內外對航母甲板風開展了一些研究,初期以試驗為主[1],航母體型龐大,只能采用風洞進行模型試驗。實際上風洞模型試驗具有難以克服的難題[2]:一是艦船模型需要縮小100倍以上,從而在風洞中保證相似雷諾數的流動條件難以建立;二是全尺寸艦船風擾動頻率遠大于風洞內模型,試驗結果不能真實反映艦船甲板風的瞬間特性。故后來人們多采用數值模擬方法,彭兢[3]利用工程湍流模型,研究了艦載飛機進艦著艦過程中航空母艦尾流的影響。賁亮亮[4]利用雷諾平均湍流模型,研究了不同來風風速和風向角條件下,艦載飛機進艦軌跡上的流場特性。Polsky[5]采用層流假設模擬,但通量利用MILES(Monotone Integrated Large Eddy Simulation)進行了湍流修正,研究了航母甲板風特性。Czerwiec[6]利用雷諾平均湍流模型,模擬了已有的風洞模型航母試驗,并進行了對比檢驗。這些方法對航母甲板風時均值的模擬精度,基本上符合一般工程需求,但所得信息量仍不能滿足新型艦船設計的更多實際需要,尤其是不能得到較為準確的大尺度脈動量隨著時間變化規律。

湍流大渦模擬相對于雷諾平均模擬,具有計算量適中、信息量較多的優點,為了減少計算成本和進一步提高計算精度,本文應用低速氣流運動控制方程組和動力學亞格子模型,對正向不同來風風速引起航母甲板風變化進行了大渦模擬,研究了來風風速引起甲板低場內流動行為變化的特殊性。

2 大渦模擬控制方程組

大氣繞流航母是一個典型的冷態、低速空氣流動問題。為了減小計算量,考慮到氣流速度較低,可采用低馬赫數假設[7],將氣流壓強分解為背景壓強和速度誘導壓強之和:

(1)

采用描述無化學反應、無輻射、低速氣體流動的湍流瞬時控制方程組描述大氣運動,應用盒式濾波器作Favre濾波運算,假設:

可得到大渦模擬的控制方程組[7]為:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

對亞格子湍流應力和熱流通量分別采用Deardorff亞格子模型[8]和渦擴散模型[9]進行模擬,并采用Werner-Wengle壁模型進行近壁區修正[10]。

在交錯網格系上將上述大渦模擬控制方程組離散,時間上采用顯式的二階精度的預測-校正格式,空間上采用二階精度的差分格式,對流項則采用基于Superbee通量限制器的TVD格式,擴散項則采用中心差分格式。壓強Poisson方程(5)采用方法快速傅里葉方法(FFT)直接求解。計算中,考慮大氣分層[11]。

3 模擬對象與工況參數

本文選取圖l所示的計算域,長400m、寬300m、高100m。航母模型位于計算域垂直對稱面(y=0)上,甲板前沿距離計算域入口30m。航母模型選取與美國“企業”號近似的外形,甲板長340m、寬78m,距離水面20m,艦島采用長寬高分別為20m、12m、20m立方體代替,其幾何中心距離甲板前沿206m。

林雪川的水業公司從2011年建立之后，經濟效益一直不怎么理想。在和黎永蘭確立了情侶關系之后，林雪川多次通過黎永蘭向黎的家人借款。

計算中不考慮海浪的影響,假設海面為水平的固體壁面。在計算域入口(x=0),給定風速,出口和垂直側面采用自由邊界條件,上表面采用滑移邊界條件。在各坐標方向上分別采用均勻網格劃分,網格結點數目取為400×300×100。計算時間取為100s,時間步長由CFL數確定。本文的計算采用大渦模擬軟件FDS6.1進行[11,12]。計算中不考慮艦體與空氣之間的熱交換。取海面處大氣溫度為20℃,溫變率為-0.005K/m。計算時保持正向來風風向不變,速度u0分別取為15m/s、20m/s、25m/s和30m/s。

4 結果分析與討論

計算結果表明t=80s后均達到了時均穩定。航母艦載機的起降是在甲板上方較低區域內進行,本文僅研究了艏艉面附近、高度較低位置的風特性。后面提到的時均值為t=80s-100s的平均結果。

圖1 計算區域與航母模型示意圖Fig.1 Sketch map of simulated region and modeled carrier

圖2為航母艏艉中心線右側5m、距離艦首5m、甲板高度2m位置處的壓強和垂向速度隨著時間變化及時均值和脈動隨著來風風速的變化,該位置接近艦載機離艦點。由圖看出,該點處壓強均為正值,來風風速對該壓強的影響主要體現在時均值上,在隨時間變化規律和脈動幅度上差異不大,壓強隨時間變化均呈現均勻隨機脈動的規律,脈動幅度均較小。壓強時均值和脈動幅度隨著來風風速均接近線性規律增加。不同來風風速下,該點垂向速度隨著時間變化均接近均勻脈動,并均為正值;垂向速度時均值隨著來風風速也接近線性增加,而脈動幅度隨著來風風速增加先增大、后減小,且來風風速為30m/s時垂向速度脈動幅度較速度為15m/s時要小。

圖3給出了航母艏艉中心線右側5m、距離艦首50m、甲板高度2m位置處的壓強和垂向風速隨著時間變化及時均值和脈動隨來風風速變化,該位置接近起飛跑道中間點。由圖看出,來風風速對該壓強的影響與圖2基本一致,即來風風速對該壓強的影響與艦載機起飛點差異不大,同一來風風速下時均壓強略有增加。來風風速對該點垂向速度的影響與圖2差異明顯,該點垂向速度隨時間出現了接近周期性的大尺度變化規律,并出現了瞬間負值,即下洗速度,但來風風速大小對變化周期影響不大,均接近10s;來風風速對該垂向速度時均值和脈動幅度影響差異不明顯,但是該點垂直速度時均值并不隨著來風風速單調變化,為減小-增加-再減小過程,脈動幅度值隨來風風速增加,為增加-減小規律,在來風風速為25m/s時為最大。垂向速度時均值與平均脈動幅度值大小接近。

圖2 航母中心線右側5m、距艦首5m、甲板高2m處的壓強與垂向風速(p為瞬時壓強,為時均壓強,p′為脈動壓強,為瞬時垂向濾波速度,W為時均垂向濾波速度,w′為脈動垂向速度，下圖同)Fig.2 The pressure and vertical velocity at the position of 2m high over deck,5m away from the bow and 5m on theright side of the central line of the aircraft carrier

圖3 航母中心線右側5m、距艦首50m、甲板高2m處的壓強與垂向風速Fig.3 The pressure and vertical velocity at the position of 2m high over deck,50m away from the bow and 5m on theright side of the central line of the aircraft carrier

圖4 航母中心線右側5m、距艦首100m、甲板高2m處的壓強與垂向風速Fig.4 The pressure and vertical velocity at the position of 2m high over deck,100m away from the bow and 5m on theright side of the central line of the aircraft carrier

圖4給出了航母艏艉中心線右側5m、距離艦首100m、甲板高度2m位置處的壓強和垂向風速隨時間變化及時均值和脈動隨來風風速變化,該位置接近起飛點。由圖看出,來風風速對該壓強和垂向速度的影響與圖3基本一致,即該點垂向速度變化規律及壓強的變化規律、時均值和脈動幅度隨來風風速的變化,與艦載機起飛跑道中間點一致;垂向速度時均值與脈動幅度值及隨來風風速變化規律,也與艦載機起飛跑道中間點的接近,略有減小,但來風風速對該點時均速度值的變化規律影響不同,隨著來風風速增加,為增加-減小-再增加過程。

圖5給出了航母艏艉中心線上、距離艦尾5m、甲板高度4m位置處的壓強和垂向風速隨著時間變化及時均值和脈動隨來風風速變化,該位置接近降落起點。由圖看出,該時均壓強盡管比起飛跑道上的要高,但是差值不是很大,不過壓強脈動幅度卻明顯增加,且來風風速越大,壓強脈動幅度越高;壓強隨著時間出現了接近周期性的大幅度變化特點,周期接近10s,但來風風速對該周期影響不大。來風風速對該點垂向速度的影響非常明顯,當然主要是對其時均值和脈動幅度上。對所計算的四個工況,其時均值均為負值,且隨來風風速增加,具有先減小、后增加的趨勢;垂直速度脈動幅度不僅明顯地大于時均值的絕對值,而且隨著來風風速具有增加的趨勢。無論來風風速多大,該點垂向速度隨著時間均出現了接近周期性的大尺度變化規律,但來風風速大小對變化周期影響不大,均接近3s。

圖6給出了航母艏艉中心線左側5m、距離艦尾90m、甲板高度2m位置處的壓強和垂向風速隨著時間變化及時均值和脈動隨來風風速變化,該位置接近降落跑道中間點。由圖看出,來風風速對該位置壓強的影響與圖5的基本一致,即來風風速對該點壓強影響的特點與著艦點差異不大,但是同一來風風速下的時均壓強略有減小,脈動幅度也略有減小。來風風速對該點垂直速度的影響主要表現在時均值和脈動幅度上,其時均值均為正值,且隨來風風速單調地增加,垂向速度的脈動幅度小于其時均值,也隨來風風速單調地增大。與著艦點垂向速度變化特點相比,該垂向速度大尺度脈動的周期有所增加,約為7s。來風風速變化沒有改變該垂向速度隨著時間出現的接近周期性的大尺度變化規律和周期值,只是當來風風速較小時,垂向速度一直保持正值,而來風風速較大時,出現了瞬間負值,即下洗速度。

圖5 航母中心線上、距艦尾5m、甲板高4m處的壓強與垂向風速Fig.5 The pressure and vertical velocity at the position of 4m high over deck,5m away from the bow and on of the central line of the aircraft carrier

圖6 航母中心線左側5m、距艦尾90m、甲板高2m處的壓強與垂向風速Fig.6 The pressure and vertical velocity at the position of 2m high over deck,90m away from the bow and 5m and on the left side of the central line of the aircraft carrier

5 結 論

本文采用低速氣體流動控制方程組和湍流大渦模擬方法,保持迎面來風風向不變,對不同來風速度下航母低場甲板風進行了數值模擬研究,得到如下結論:

(1) 來風風速對起飛跑道上方壓強的影響主要是其時均值,對其脈動幅度的影響不大,且數值均較小,對壓強隨著時間呈均勻隨機脈動變化的規律影響也不大。

(2)在起飛跑道的前半段,當來風風速較小時,其時均值絕對值比脈動幅度大,而當來風風速較大時,其脈動速度超過了時均值;在起飛跑道的后半段,無論來風風速大小如何,其時均值絕對值均比脈動幅度大。

(3)在起飛跑道的大部分長度上,垂向速度的時均值和脈動幅度并不隨著來風風速單調增加;越靠近起飛點,出現下洗速度的時間越長,下洗速度也與越大。在起飛跑道的末端附近,垂向速度隨著時間變化呈現均勻分布的脈動,而在起飛跑道的大部分長度上,垂向速度的大尺度脈動隨著時間出現了接近周期性變化規律,來風風速大小對其變化周期影響不大。

(4) 來風風速對降落跑道上方壓強的時均值影響較大,對其脈動幅度的影響也明顯,并出現了壓強大尺度脈動隨著時間周期性變化的規律,隨著來風風速的增加,壓強的脈動幅度增加。

(5) 在降落跑道的前半段,其時均值絕對值遠比脈動幅度小,且時均值多為負值,并不隨著來風風速增加單調變化,而其脈動幅度卻隨著風速單調增加;在起飛跑道的后半段,無論來風風速大小如何,其時均值絕對值均接近脈動幅度,時均值和脈動幅度均不隨著風速單調變化。

(6)在整個降落跑道長度上,垂向速度隨著時間變化均出現了周期性規律,越靠近降落起點,變化周期越小,出現下洗速度的時間越長,下洗速度也越大。來風風速大小對其變化周期影響不大。

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袁書生 男(1963-),河北武邑人,教授,從事湍流多相流與燃燒研究。

張旭東 男(1978-),山東文登人,博士,從事固體火箭發動機相關研究。

Large Eddy Simulation to the Effect of Wind Speed on Wind OverDeck of Takeoff and Landing Runway of Aircraft Carrier

YUANShusheng,ZHANGXudong,DONGKehai

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China)

The control equations of air flow with lower velocity and the large eddy simulation method of turbulent flows are used to study the effect of different head-on wind speeds on the wind over deck of aircraft carrier.The variety process of pressure and vertical velocity of air flow with time are conducted at some positions at lower height,close to the bow-stern symmetric plane and over the deck of aircraft carrier for different wind speeds.The speed of head-on wind mainly affects the time-averaged value of pressures at the position over the take-off airstrip,but the effect on the fluctuated scope of pressures and the effect on the variety law of pressure with time are little.In most length of take-off airstrip the time-averaged value and fluctuated scope of vertical velocity donot increase monotonously with the speed of head-on wind.The closer it gets to the take-off point,the longer the time of down-wash and the larger the speed of down-wash.The head-on wind speed has more effect on the time-averaged and fluctuated values of pressure at the position over the runway,the periodic large scale change of pressure with time appears,the fluctuated scope of pressure increases with the speed of head-on wind.On the entire landing airstrip the vertical velocity changes with time periodically.The closer it gets to the landing point,the smaller the change cycle is.The longer the time of down-wash is,the bigger the vertical speed is.

aircraft carrier;wind over deck;large eddy simulation;effect of wind speed

U 674.771

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