側(cè)向風(fēng)下航母甲板風(fēng)渦流場的模擬研究

袁書生，粘松雷，趙元立

(海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001)

側(cè)向風(fēng)下航母甲板風(fēng)渦流場的模擬研究

袁書生，粘松雷，趙元立

(海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001)

采用低馬赫數(shù)假設(shè)下的氣流運動控制方程組和湍流大渦模擬方法，研究在側(cè)向來風(fēng)條件下，航母甲板風(fēng)渦流場的特點。在側(cè)向來風(fēng)時，航母前部甲板上方壓強時均值、變化幅度與周期差異不大；后部甲板上方壓強時均值較前半部分略有增加，變化幅度和周期均有所增大。

航空母艦；甲板風(fēng)；大渦模擬；渦流

0 引 言

驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦的艦體結(jié)構(gòu)基本上是對稱的，并且首尾不通場，而航空母艦、大型登陸艦的布置一般是不對稱的，艦島位于艦體的一側(cè)，且首尾直通布置，故大氣繞過驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦形成的甲板風(fēng)與航母、大型登陸艦形成的甲板風(fēng)存在明顯的不同[1-2]，風(fēng)向的影響更顯著。為了便于發(fā)展航空母艦、大型登陸艦等直通甲板艦船上直升機(jī)或者垂直起降飛機(jī)的起飛與著艦安全包線，必須了解側(cè)向風(fēng)條件下的這類艦船甲板風(fēng)渦流場的特性。

對于航母甲板風(fēng)特性，人們曾采用各種手段對其進(jìn)行研究[3-5]。后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)洞研究存在著致命的不足，即全尺寸艦船的風(fēng)擾動頻率遠(yuǎn)大于風(fēng)洞模型情況，試驗所得結(jié)果并不能真實反映航母甲板風(fēng)的瞬間特性，而這一特性又是設(shè)計艦載直升機(jī)安全起飛降落包線的關(guān)鍵。而在以往所用的艦船甲板風(fēng)流動數(shù)值模擬中，也只有大渦模擬手段能夠在計算量和信息量滿足問題研究的需要。本文將應(yīng)用 Rehm 等[6]發(fā)展的、適用于低速氣體流動的低速氣流運動控制方程組和 Deardorff 動力學(xué)亞格子模型，對側(cè)向風(fēng)條件下航母甲板風(fēng)的渦流場進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 大渦模擬控制方程組

直升機(jī)在水面艦船上起降時，相對風(fēng)速一般很少超過 25 m/s，而音速則一般高于 340 m/s（相當(dāng)于大氣溫度 20 ℃ 左右）。基于此，可采用 Rehm[5]提出的低馬赫數(shù)假設(shè)，將氣流壓強分解為背景壓強和速度誘導(dǎo)壓強之和：

考慮大氣分層，大氣溫度和壓強隨高度變化分別為：

式中：T∞為海面處大氣溫度；Γ為大氣溫度變化率；p∞為海平面處大氣壓強。

大氣背景壓強滿足理想氣體狀態(tài)方程：

水面艦船大氣繞流可以采用無化學(xué)反應(yīng)、無輻射的氣體低速流動過程的湍流瞬時控制方程組描述，應(yīng)用盒式濾波器對其作 Favre 濾波運算，可得到大渦模擬的控制方程組為：

在交錯網(wǎng)格系上離散該大渦模擬控制方程組。對亞格子湍流應(yīng)力和熱流通量分別采用 Deardorff 亞格子模型和渦擴(kuò)散模型進(jìn)行模擬[7-8]，并采用 Werner-Wengle壁模型進(jìn)行近壁區(qū)修正[9]。

在交錯網(wǎng)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 2 階精度的預(yù)測-校正格式，空間上采用 2 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(kuò)散項則采用中心差分格式。壓強 Poisson 方程（10）采用 FFT 方法直接求解。

2 模擬對象與工況參數(shù)

選取圖 1 所示的計算域，長 600 m，寬 300 m，高 100 m。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 80.0 m。航母模型選取與美國“企業(yè)”號近似的外形，甲板長 340 m，寬 78 m，距離水面 20 m，艦島采用長寬高分別為 20 m × 12 m × 20 m立方體代替，其幾何中心距離甲板前沿 206 m。

在各坐標(biāo)方向上分別采用均勻網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格結(jié)點數(shù)目取為 600 × 300 × 100。計算時間取為 100 s，時間步長由 CFL 數(shù)確定。本文的計算采用大渦模擬軟件FDS6.1 進(jìn)行[10-11]。取海面處大氣溫度為 20 ℃，Γ為 -0.005 K/m。計算初始條件為靜止大氣。為了研究側(cè)向風(fēng)下航母甲板風(fēng)渦流場的特性，來風(fēng)速度取為 20 m/s和風(fēng)向為左舷 15°。

計算中不考慮海浪和艦船搖擺的影響，假設(shè)海面為水平的固體壁面。在計算域入口（x= 0、y= -150 m），給定風(fēng)速分量，出口采用自由邊界條件，上表面采用滑移邊界條件。在計算域的開口表面上，如果法向速度分量指向域外，則各變量取為自由邊界面條件，反之各變量則取為外界環(huán)境空氣的參數(shù)。為模擬進(jìn)口處的擾動，對速度邊界條件加上隨機(jī)噪聲，并取隨機(jī)噪聲為均勻分布。

3 結(jié)果分析與討論

通過對計算結(jié)果分析，可知t= 80 s 以后模擬達(dá)到了時均穩(wěn)定。艦載直升機(jī)著艦時主要是受較高空間風(fēng)影響，為了分析其特點，圖 2 給出了航母首尾對稱面上、甲板上方 5 m、距艦首不同距離位置上壓強隨時間變化的模擬結(jié)果。由圖 2 可看出，側(cè)向來風(fēng)條件下，航母前部甲板上方壓強的變化規(guī)律基本一致，其時均值、變化幅度與周期差異不大。后部甲板上方壓強時均值較前部分有所增加，但是增加不多，壓強變化幅度和周期也均略有增大。

圖 3 和圖 4 分別給出了甲板風(fēng)達(dá)到時均穩(wěn)定后、航母甲板區(qū)域內(nèi)、距艦首不同距離處垂直截面上的時均速度和時均壓強分布（t= 80～100 s）。從時均流場看，當(dāng)來風(fēng)為側(cè)向風(fēng)時，在甲板的前半部（艦島以前），僅在迎風(fēng)一側(cè)的艦舷處誘導(dǎo)出了一個較大的渦，該渦則隨著離開艦首距離的增加，強度在減弱；而在背風(fēng)一側(cè)艦舷處，沒有看到明顯的渦流場結(jié)構(gòu)。還可看出，該部分甲板區(qū)域內(nèi)，下洗速度區(qū)域很小，僅存在于靠近渦的背風(fēng)側(cè)；但是在甲板的前部，在渦的迎風(fēng)側(cè)，則出現(xiàn)了較為明顯的上升氣流。由圖 4 可看出，隨著該渦強度的減弱，壓強則有所增加。

到了甲板的后半部分（艦島以后），除了迎風(fēng)側(cè)的渦仍然存在外，在艦島后部又發(fā)出了一對對向渦。迎風(fēng)側(cè)的渦，隨著距艦尾距離越近，尺寸有所增加，且渦心逐漸向甲板中心線靠近；而艦島后的對渦則逐漸離開背風(fēng)一側(cè)的艦舷成為脫體渦，在甲板后半部分的背風(fēng)一側(cè)艦舷附近，流動成為平緩的水平流。為了進(jìn)一步分析脫體渦的特點，圖 5 給出了x= 350 m 和x= 400 m 截面上背風(fēng)一側(cè)的流場時均速度分布。由圖 5看出，該脫體渦離開航母船體后，逐漸合并成了一個大渦，渦心移動到了海面附近，在水平方向上則逐漸向風(fēng)下游移動。盡管該脫體渦的渦心位置較低并低于航母甲板，但是在渦的背風(fēng)側(cè)存在著一個很大的下洗速度區(qū)域，該區(qū)遠(yuǎn)高于甲板，而且其速度絕對值也不小。顯然，直升機(jī)不應(yīng)在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)場著艦。同樣，在該脫體渦流場中，隨著離開航母的距離增加，渦強度有所減弱，壓強則有所增加。

為了研究側(cè)向風(fēng)時航母風(fēng)尾流中渦流場的特性，圖 6 則給出了甲板后方x= 450 m 和x= 500 m垂直截面上的時均速度和時均壓強分布（t= 80～100 s），x= 450 m 截面距離艦尾 25 m，x= 500 m 截面距離艦尾 75 m。從圖 6 可看出，在靠近航母的橫向垂直截面上存在著同向的 2 個大渦，位于航母首尾對稱面附近，1 個渦心高于甲板，另 1 個渦心則低于甲板，較高渦的迎風(fēng)側(cè)為上升氣流，背風(fēng)側(cè)為下洗氣流，顯然這個渦對直升機(jī)的起降影響較大。在遠(yuǎn)離航母的截面上，則存在著 1 個大渦，它前一截面上那 2 個大渦合并的結(jié)果。由圖 6 還可看出，在尾渦流場中離開航母越遠(yuǎn)，渦強度越低，壓強越高。

4 結(jié) 語

本文采用低馬赫數(shù)假設(shè)下的氣體流動控制方程組和湍流大渦模擬方法，保持風(fēng)速 20 m/s 和風(fēng)向角左舷15° 不變，對航母甲板風(fēng)流場中渦特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

1）側(cè)向來風(fēng)條件下，航母前部甲板上方壓強的變化規(guī)律基本一致，其時均值、變化幅度與周期差異不大。后部甲板上方壓強時均值較前部分有所增加，但是增加不多，壓強變化幅度和周期均略有增大。

2）從時均流場看，當(dāng)來風(fēng)為側(cè)向風(fēng)時，在甲板的前半部分，僅在迎風(fēng)一側(cè)的艦舷處誘導(dǎo)出了 1 個較大的渦，該渦隨著離開艦首距離的增加，強度減弱；而在背風(fēng)一側(cè)艦舷處，沒有看到明顯的渦流場結(jié)構(gòu)。

3）在甲板的后半部分，除了迎風(fēng)側(cè)的渦仍然存在外，在艦島后部又發(fā)出了一對對向渦。迎風(fēng)側(cè)的渦，隨著距艦尾距離越近，尺寸有所增加，渦心逐漸向甲板中心線靠近；而艦島后的對渦則逐漸離開艦體成為脫體渦，艦舷附近流動成為平緩的水平流。

4）脫體渦離開航母艦體后，逐漸合并成了一個大渦，高度上渦心向海面附近移動，在水平方向上則逐漸向風(fēng)下游移動。在該渦的背風(fēng)側(cè)存在著一個很大的下洗速度區(qū)域，遠(yuǎn)高于甲板，而且其速度絕對值也不小。

5）尾流中靠近航母的橫向垂直截面上存在著 2 個位于首尾對稱面附近的同向大渦，1 個渦心高于甲板，另一個渦心則低于甲板，較高渦的迎風(fēng)側(cè)為上升氣流，背風(fēng)側(cè)為下洗氣流。在遠(yuǎn)離航母的截面上合并為一個渦。

[1]HEALEY J V.The Aerodynamics of Ship Superstructures[C]//.In: Proceedings of AGARD Conference-Aircraft Ship Operations held in France, AGARD-CP-509, 1991: 4.1-4.14.

[2]POLSKY S, NAYLOR S.CVN airwake modeling and integration: initial steps in the creation and implementation of a virtual burble for F-18 carrier landing simulations[C]//.AIAA 2005-6298, AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, San Francisco, California, August, 2005: 15-18.

[3]FINDLAY D B, GHEE T.Experimental investigation of ship airwake flow control for a US navy flight II-A class destroyer (DDG)[C]//.AIAA 2006-3501, 3rd AIAA Flow Control Conference, San Francisco, California, 2006: 5-8.

[4]BOGSTAD M C, HABASHI W G, AKEL I, et al.Computational-fluid-dynamics based advanced ship-airwake database for helicopter flight simulators[J].Journal of aircraft, 2002, 39(5): 830-838.

[5]BRIDGES D O, HORN J F, ALPMAN E, et al.Coupled flight dynamics and CFD analysis of pilot workload in ship airwakes[C]//.AIAA 2007-6485, AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit, Hilton Head, South Carolina, August, 2007, 20-23.

[6]REHM R G, BAUM H R.The equations of motion for thermally driven, buoyant flows[J].Journal of Research of the NBS, 1978, 83: 297-308.

[7]DEARDORFF J W.Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layers[J].Journal of Atmospheric Sciences, 1972, 29: 91-115.

[8]DEARDORFF J W.Stratocumulus-capped mixed layers derived from a three-dimensional model[J].Boundary-Layer Meteorol, 1980, 18: 495-527.

[9]WERNER H, WENGLE H.Large-eddy simulation of turbulent flow over and around a cube in a plate channel[C].In 8th Symposium on Turbulent Shear Flows, 1991, 34: 155-168.

[10]FLOYD J, FORNEY G, HORTIKKA S, et al.Fire Dynamics Simulator(Version 6)-Technical Reference Guide[M].NIST Special Publication 1018, 2013.

[11]FLOYD J, FORNEY G, HOSTIKKA S, et al.Fire dynamics simulator(version 6)-user's guide[M].NIST Special Publication 1019, 2013.

Simulated study to wind deck vortex flow of aircraft carriers under cross wind

YUAN Shu-sheng, NIAN Song-lei, ZHAO Yuan-li
(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

The control equations with the hypothesis of low Mach air flow and the large eddy simulation method of turbulent flows are used to study the characteristics of vortex in the wind over deck of aircraft carriers under the condition of cross wind.The time-averaged value, the variety scope and the variety period of pressures in the region over the former deck are near invariable.The time-averaged value, the variety scope and the variety period of pressures in the region over the tail deck are little larger than that at the former deck.

aircraft carrier；wind over deck；large eddy simulation；vortex flow

E925.671

：A

1672-7619(2017)01-0045-06doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.010

2016-01-25；

: 2016-08-29

袁書生(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事湍流多相流與燃燒研究。