風向對航母甲板風影響的大渦模擬

袁書生，趙元立，丁偉鋒

(海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

風向對航母甲板風影響的大渦模擬

袁書生，趙元立，丁偉鋒

(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，研究了來風風向對航母甲板風的影響，得到了不同來風風向條件下，艏艉對稱面附近、甲板上方低場及航母后方某點處壓力和垂向速度隨時間的變化關系。結果表明：航母有一定角度的側向風對艦載機起飛有利，右舷風比左舷風有利；從有利于艦載機著艦角度看，右舷來風較左舷來風有利；從艦載機著艦下滑穩定性上看，來風風向角度越小越有利。

航空母艦；甲板風；大渦模擬；艦載機；來風風向

Abstract: 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 the wind direction on the wind over the deck of aircraft carrier. The variety process of pressure and vertical velocity of air motion with time are conducted at some positions over the deck and in the air-wake of aircraft carrier for different directions of wind. When the coming wind has some wind angle, it is propitious to the take off of airplanes from the aircraft carrier, and the effect of right side coming wind is better than that of the left side. On the point of view to facilitate the landing of airplanes, the effect of the right side coming wind is better than that of the left side too. The smaller is the angle of coming winds and the better is the stability for airplanes during descending to aircraft carriers.

Keywords: aircraft carrier；wind over deck；large eddy simulation；shipboard aircraft；head-on wind direction

艦載飛機與陸基飛機的最大區別在于其起降的場域是運動的航母甲板，即使是現代大型航母，其甲板也僅約340 m長、76 m寬[1]。飛行甲板不大，加上航母的運動，及大氣繞流航母誘導出的甲板風和尾流，不僅增大了艦載機精確保持下滑軌跡的難度，而且會引起較大的著艦偏差，嚴重時甚至導致著艦失敗[2-3]。

艦載飛機的進艦著艦時，航母尾流和甲板風是精確保持航跡十分重要的影響因素[4-5]。國內外對航母甲板風和尾流效應開展了一些研究，彭兢等人[6]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；賁亮亮等人[7]利用雷諾平均湍流模型，研究了不同風速和風向角條件下，艦載飛機進艦軌跡上的流場特性；Polsky[8]利用雷諾平均湍流模型，研究了非穩態甲板風和航母尾流特性；Rajagopalan等人[9]采用模型航母進行了風洞試驗，并采用層流假設對試驗對象進行了數值模擬；Ryan等人[10]利用雷諾平均湍流模型，模擬了已有的模型航母風洞試驗對象，檢驗了數值模擬的精度。這些成果對艦載機安全起飛與著艦具有重要的參考意義。不過，模擬采用了雷諾平均方法或層流假設，試驗則采用了小尺寸模型，所得信息量和結果精度仍不能滿足實際需要，雷諾平均模擬是將所有尺度的物理量進行時間平均，并對時間平均的物理量建立守恒方程，脈動量對時均量的影響則采用模型模擬，在相同網格和算法下，其計算精度低于大渦模擬[11]，因為大渦模擬對流動控制方程采用濾波處理，對大尺度的物理量進行直接計算，而僅對小尺度的物理量進行模型模擬[12]；模型風洞試驗存在著兩個致命的弱點[13]：一是航母模型需要縮小100倍以上，滿足相似雷諾數的流動條件難以建立；二是全尺寸艦船的風擾動頻率遠大于縮比模型，不能真實地反映航母甲板風的瞬間特性。

由于航母體型巨大，加上在海上實際測量不便，數值模擬將成為研究的主要手段。湍流大渦模擬方法相對于雷諾平均模擬方法，具有信息量多、精度較高的優點。本文應用低馬赫數氣流運動控制方程組和大渦模擬方法，對不同來風風向引起航母甲板風和尾流的變化進行了數值模擬，研究了甲板上方低場和尾流內流動行為具有的特殊性。在低馬赫流動假設下，將流體壓強和速度解耦[14]，大大地降低了計算工作量，國外已經較多地用于風工程研究中[15-17]；同時本文大渦模擬采用了Deardorff亞格子動力學模型[18]，計算精度是目前多用的亞格子模型中較高的，計算量適中。

1 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。對描述無化學反應、無輻射、浮力作用的氣體低速流動過程的湍流瞬時控制方程組，應用盒式濾波器作Favre濾波運算，可得到大渦模擬的控制方程組為：

由于氣流速度較低，可采用低馬赫數假設[14]，將氣流壓強分解為背景壓強和速度誘導壓強之和：

考慮大氣分層，大氣溫度隨高度變化為：

式中：Ta為海面處大氣溫度，Γ為大氣溫度變化率。

大氣密度隨高度變化為：

大氣背景壓強隨高度變化為：

計算時不直接求解方程(2)和方程(3)，變化為：

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[21]，擴散項則采用中心差分格式。對壓力Poisson方程(11)采用FFT方法直接求解[22]。

2 模擬對象與工況參數

選取圖l所示的計算域，長600.0 m、寬300.0 m、高100.0 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”號近似的外形，甲板長333.0 m、寬78.0 m，距離水面20.0 m，艦島采用長寬高分別為20.0、12.0和20.0 m立方體代替，其幾何中心距離甲板前沿200.0 m。

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 m、y=±150 m)，給定風速條件，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條件，反之各變量則取為外界環境空氣的參數。為模擬進口處的擾動，對速度邊界條件加上隨機噪聲[23]，并取隨機噪聲為均勻分布。

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600×300×100。計算時間取為100.0 s，時間步長由CFL數確定。

本文計算采用大渦模擬軟件FDS6.0[24-25]，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20C，Γ為-0.005 K/m。

為了研究不同風向對航母甲板風和尾流影響的特點，計算時保持來風速度20 m/s，只改變風向。計算工況分為4個，各工況參數如表1所示。

圖1 計算區域與航母模型示意Fig. 1 Sketch map of the calculated zone and model carrier

工況12345風向/(°)30150-15-30

注：風矢量與航母艏艉線的夾角定義為正號為風從左舷向后斜向指向右舷，負號為從右舷向后斜向指向左舷。

3 結果分析與討論

計算選取初始條件為正向來風，速度為10 m/s，壓力為環境大氣壓，只給出了t=40～100 s時均穩定期間的計算結果。

為了分析風向對航母艦載機起飛與降落的影響，本文選取了航母甲板起飛跑道起點、終點和艦尾進場點，研究風向對這些位置低場風的影響，這些位置處具有航母甲板風的典型特征[2]。圖2為航母甲板中心線上距離艦首5 m、高度2.5 m位置處的壓力與垂向速度隨時間的變化。由圖2(a)看出，風向對該位置的壓力有著較大的影響。風向為±15°時，甲板中心線上距離艦首5 m、高度2.5 m處的壓力為正，盡管航母甲板幾何不對稱，但是該點處的壓力差別不大，風向為-15°時略大于風向為+15°時的；而風向為0°和±30°時，該點處的壓力均為負，而且風向為0°時壓力最低，風向為+30°時的壓力比風向為-30°時的要高一點。這一結果說明，由于航母為細長體，且不完全對稱，±15°的來風空氣擾流航母時，在甲板前端上方產生了有利于起飛的正壓力；而來風風向為±30°時，盡管甲板前方的壓力仍為負值，但是比正向來風時有所提高。由圖2(b)看出，計算的5個來風風向在該位置產生的垂向速度均為有利于起飛的正向速度，不過不同風向來風產生的效果有較大差異。計算結果表明，風向為±15°和±30°時，該點處的垂向速度均大于正面來風時，而且負向來風的垂向速度均大于正向來風的，風向絕對值越大，垂向速度也越大。結合圖2的結果分析, 從艦載機起飛角度看, 航母有一定角度的側向風有利, 風向為負向好于風向為正, 即右舷風比左舷風對起飛有利。比較本文計算的5個工況, 負15°的來風對起飛較為有利。

圖2 t=40～100 s時航母甲板中心線上距離艦首5 m、高度2.5 m位置處的壓力與垂向速度隨時間變化模擬結果Fig. 2 The simulated pressure and vertical velocity varieties with respect to time at the point on the bow-stern line of deck 5 m from the bow and 2.5 m over the deck during the time t=40～100 s

圖3給出了航母甲板中心線上距離艦首100 m、高度2.5 m位置處的壓力與垂向速度隨時間的變化。由圖3(a)看出, 風向對該位置的壓力有一定影響。風向為-30°、-15°和+15°時, 該點處的壓力均為正, 并且波動不大；風向為0°, 該點處的壓力為負, 波動也不大；但是當來風為+30°時, 平均壓力接近零, 可是最大波動達到了250 Pa。顯然, 在來風風向為+30°時, 對艦載機的降落存在不利影響。由圖3(b)看出, 計算的5個來風風向中, 平均垂向速度均接近0, 但是當來風為+30°時, 垂向速度波動非常明顯, 波動的最大值達到了20 m/s, 而當來風為0°、±15°和-30°時, 該位置產生的垂向速度波動非常小。此位置靠近艦載機降落跑道終點, 從有利于艦載機降落角度看, 負向來風較正向來風有利。

圖3 t=40～100 s時航母甲板中心線上距離艦首100 m、高度2.5 m位置處的壓力與垂向速度隨時間變化模擬結果Fig. 3 The simulated pressure and vertical velocity varieties with respect to time at the point on the bow-stern line of deck 100 m from the bow and 2.5 m over the deck during the time t=40～100 s

圖4給出了航母甲板中心線上距離艦尾后70 m、海面高度70 m位置處的壓力與垂向速度隨時間的變化。由圖4(a)看出, 風向對該位置的壓力也有一定的影響。在所計算的5個工況中, 風向為0°時, 該點的壓力最低, ±15°和±30°時, 該點處的壓力有所提高, 風向絕對值越大, 壓力提高越多, 盡管航母不完全對稱, 該點處的壓力受風向正負號影響不大。從壓力波動值上看, 計算的5個工況中, 風向為±15°時, 波動最明顯。由圖4(b)看出, 在所計算的5個工況中, 風向對該點的垂向速度平均值影響不大, 但對其波動具有不同的影響。風向為0°和±30°時, 該點處的垂向速度波動較小；風向為±15°時, 該點處的垂向速度波動較大。從艦載機下滑穩定性上看, 來風風向角度越小越有利。

圖4 t=40～100 s時航母甲板中心線上距離艦尾后70 m、海面高度70 m空間位置處的壓力與垂向速度隨時間變化模擬結果Fig. 4 The simulated pressure and vertical velocity varieties with respect to time at the point on the bow-stern line of deck 70 m after the stern and 70 m above sea level during the time t=40～100 s

4 結 語

采用低速氣體流動控制方程組和湍流大渦模擬方法, 保持風速不變, 對不同迎面來風風向下的航母甲板風和風尾流行為進行了數值模擬研究, 得到如下結論：

1) 不同迎面來風時, 艦載機起飛離艦點附近的壓強差異不大；側向來風時該區域的垂向速度均大于正向來風, 且右舷來風時的垂向速度高于左舷來風；航母有一定角度的側向風對艦載機起飛有利, 右舷風比左舷風有利。

2) 迎面來風風向對艦載機著艦點附近區域的垂向速度平均值影響不大, 但是左舷來風時垂向速度的波動幅度較大；右舷來風時該區域的壓強明顯高于左舷來風；從有利于艦載機著艦角度看, 右舷來風較左舷來風有利。

3) 在0°至左右15°風向之間, 風向角度越小, 風尾流內壓強和垂向速度的波動幅度越小；從艦載機下滑穩定性上看, 來風風向角度越小越有利。

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Large eddy simulation to the effect of wind direction on wind over the deck of aircraft carrier

YUAN Shusheng，ZHAO Yuanli，DING Weifeng

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

1005-9865(2017)02-0001-06

V211.3

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.001

2015-12-08

袁書生(1963-)，男，河北武邑人，教授，博士生導師，從事湍流多相流與燃燒研究。E-mail：yuanshusheng@tsinghua.org.cn