正向來風(fēng)速度對航母起降跑道甲板風(fēng)影響的大渦模擬

袁書生, 張旭東, 董可海

(海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺 264001)

正向來風(fēng)速度對航母起降跑道甲板風(fēng)影響的大渦模擬

袁書生, 張旭東, 董可海

(海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺 264001)

采用低速氣流運(yùn)動(dòng)控制方程組和湍流大渦模擬方法,研究了正向來風(fēng)不同速度對航母甲板風(fēng)的影響,得到了不同風(fēng)速下甲板上方、艏艉對稱面附近、較低高度處壓強(qiáng)和垂向速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。來風(fēng)風(fēng)速對起飛跑道上方壓強(qiáng)的影響主要是其時(shí)均值,對脈動(dòng)幅度和隨著時(shí)間呈均勻隨機(jī)脈動(dòng)變化的規(guī)律影響不大。在起飛跑道的大部分長度上,垂向速度的時(shí)均值和脈動(dòng)幅度并不隨著來風(fēng)風(fēng)速單調(diào)增加。越靠近起飛點(diǎn),出現(xiàn)下洗速度的時(shí)間越長,速度值越大。來風(fēng)風(fēng)速對降落跑道上方壓強(qiáng)時(shí)均值和脈動(dòng)幅度的影響均較大,并出現(xiàn)了壓強(qiáng)大尺度脈動(dòng)隨著時(shí)間周期性變化的規(guī)律,壓強(qiáng)脈動(dòng)幅度隨著來風(fēng)風(fēng)速的增加而增加。在整個(gè)降落跑道上,垂向速度隨著時(shí)間變化均出現(xiàn)了周期性規(guī)律。越靠近降落起點(diǎn),變化周期越小,出現(xiàn)下洗速度的時(shí)間越長,速度值越大。

航空母艦; 甲板風(fēng); 大渦模擬; 風(fēng)速影響

1 引 言

航母艦載機(jī)起降是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。艦載機(jī)起飛和降落過程中,航母甲板風(fēng)對其運(yùn)動(dòng)具有很大的影響,尤其是甲板低場風(fēng)的脈動(dòng)特性。從安全起降角度看,該區(qū)域的甲板風(fēng)應(yīng)具有盡可能高的壓強(qiáng),流動(dòng)參數(shù)的脈動(dòng)盡可能的低。

國內(nèi)外對航母甲板風(fēng)開展了一些研究,初期以試驗(yàn)為主[1],航母體型龐大,只能采用風(fēng)洞進(jìn)行模型試驗(yàn)。實(shí)際上風(fēng)洞模型試驗(yàn)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(fēng)洞中保證相似雷諾數(shù)的流動(dòng)條件難以建立;二是全尺寸艦船風(fēng)擾動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于風(fēng)洞內(nèi)模型,試驗(yàn)結(jié)果不能真實(shí)反映艦船甲板風(fēng)的瞬間特性。故后來人們多采用數(shù)值模擬方法,彭兢[3]利用工程湍流模型,研究了艦載飛機(jī)進(jìn)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(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向角條件下,艦載飛機(jī)進(jìn)艦軌跡上的流場特性。Polsky[5]采用層流假設(shè)模擬,但通量利用MILES(Monotone Integrated Large Eddy Simulation)進(jìn)行了湍流修正,研究了航母甲板風(fēng)特性。Czerwiec[6]利用雷諾平均湍流模型,模擬了已有的風(fēng)洞模型航母試驗(yàn),并進(jìn)行了對比檢驗(yàn)。這些方法對航母甲板風(fēng)時(shí)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(shè)計(jì)的更多實(shí)際需要,尤其是不能得到較為準(zhǔn)確的大尺度脈動(dòng)量隨著時(shí)間變化規(guī)律。

湍流大渦模擬相對于雷諾平均模擬,具有計(jì)算量適中、信息量較多的優(yōu)點(diǎn),為了減少計(jì)算成本和進(jìn)一步提高計(jì)算精度,本文應(yīng)用低速氣流運(yùn)動(dòng)控制方程組和動(dòng)力學(xué)亞格子模型,對正向不同來風(fēng)風(fēng)速引起航母甲板風(fēng)變化進(jìn)行了大渦模擬,研究了來風(fēng)風(fēng)速引起甲板低場內(nèi)流動(dòng)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(gè)典型的冷態(tài)、低速空氣流動(dòng)問題。為了減小計(jì)算量,考慮到氣流速度較低,可采用低馬赫數(shù)假設(shè)[7],將氣流壓強(qiáng)分解為背景壓強(qiáng)和速度誘導(dǎo)壓強(qiáng)之和:

(1)

采用描述無化學(xué)反應(yīng)、無輻射、低速氣體流動(dòng)的湍流瞬時(shí)控制方程組描述大氣運(yùn)動(dòng),應(yīng)用盒式濾波器作Favre濾波運(yùn)算,假設(shè):

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(yīng)力和熱流通量分別采用Deardorff亞格子模型[8]和渦擴(kuò)散模型[9]進(jìn)行模擬,并采用Werner-Wengle壁模型進(jìn)行近壁區(qū)修正[10]。

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

3 模擬對象與工況參數(shù)

本文選取圖l所示的計(jì)算域,長400m、寬300m、高100m。航母模型位于計(jì)算域垂直對稱面(y=0)上,甲板前沿距離計(jì)算域入口30m。航母模型選取與美國“企業(yè)”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(yè)公司從2011年建立之后，經(jīng)濟(jì)效益一直不怎么理想。在和黎永蘭確立了情侶關(guān)系之后，林雪川多次通過黎永蘭向黎的家人借款。

計(jì)算中不考慮海浪的影響,假設(shè)海面為水平的固體壁面。在計(jì)算域入口(x=0),給定風(fēng)速,出口和垂直側(cè)面采用自由邊界條件,上表面采用滑移邊界條件。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(diǎn)數(shù)目取為400×300×100。計(jì)算時(shí)間取為100s,時(shí)間步長由CFL數(shù)確定。本文的計(jì)算采用大渦模擬軟件FDS6.1進(jìn)行[11,12]。計(jì)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(jì)算時(shí)保持正向來風(fēng)風(fēng)向不變,速度u0分別取為15m/s、20m/s、25m/s和30m/s。

4 結(jié)果分析與討論

計(jì)算結(jié)果表明t=80s后均達(dá)到了時(shí)均穩(wěn)定。航母艦載機(jī)的起降是在甲板上方較低區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,本文僅研究了艏艉面附近、高度較低位置的風(fēng)特性。后面提到的時(shí)均值為t=80s-100s的平均結(jié)果。

圖1 計(jì)算區(qū)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(cè)5m、距離艦首5m、甲板高度2m位置處的壓強(qiáng)和垂向速度隨著時(shí)間變化及時(shí)均值和脈動(dòng)隨著來風(fēng)風(fēng)速的變化,該位置接近艦載機(jī)離艦點(diǎn)。由圖看出,該點(diǎn)處壓強(qiáng)均為正值,來風(fēng)風(fēng)速對該壓強(qiáng)的影響主要體現(xiàn)在時(shí)均值上,在隨時(shí)間變化規(guī)律和脈動(dòng)幅度上差異不大,壓強(qiáng)隨時(shí)間變化均呈現(xiàn)均勻隨機(jī)脈動(dòng)的規(guī)律,脈動(dòng)幅度均較小。壓強(qiáng)時(shí)均值和脈動(dòng)幅度隨著來風(fēng)風(fēng)速均接近線性規(guī)律增加。不同來風(fēng)風(fēng)速下,該點(diǎn)垂向速度隨著時(shí)間變化均接近均勻脈動(dòng),并均為正值;垂向速度時(shí)均值隨著來風(fēng)風(fēng)速也接近線性增加,而脈動(dòng)幅度隨著來風(fēng)風(fēng)速增加先增大、后減小,且來風(fēng)風(fēng)速為30m/s時(shí)垂向速度脈動(dòng)幅度較速度為15m/s時(shí)要小。

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

圖2 航母中心線右側(cè)5m、距艦首5m、甲板高2m處的壓強(qiáng)與垂向風(fēng)速(p為瞬時(shí)壓強(qiáng),為時(shí)均壓強(qiáng),p′為脈動(dòng)壓強(qiáng),為瞬時(shí)垂向?yàn)V波速度,W為時(shí)均垂向?yàn)V波速度,w′為脈動(dòng)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(cè)5m、距艦首50m、甲板高2m處的壓強(qiáng)與垂向風(fēng)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(cè)5m、距艦首100m、甲板高2m處的壓強(qiáng)與垂向風(fēng)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(cè)5m、距離艦首100m、甲板高度2m位置處的壓強(qiáng)和垂向風(fēng)速隨時(shí)間變化及時(shí)均值和脈動(dòng)隨來風(fēng)風(fēng)速變化,該位置接近起飛點(diǎn)。由圖看出,來風(fēng)風(fēng)速對該壓強(qiáng)和垂向速度的影響與圖3基本一致,即該點(diǎn)垂向速度變化規(guī)律及壓強(qiáng)的變化規(guī)律、時(shí)均值和脈動(dòng)幅度隨來風(fēng)風(fēng)速的變化,與艦載機(jī)起飛跑道中間點(diǎn)一致;垂向速度時(shí)均值與脈動(dòng)幅度值及隨來風(fēng)風(fēng)速變化規(guī)律,也與艦載機(jī)起飛跑道中間點(diǎn)的接近,略有減小,但來風(fēng)風(fēng)速對該點(diǎn)時(shí)均速度值的變化規(guī)律影響不同,隨著來風(fēng)風(fēng)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(qiáng)和垂向風(fēng)速隨著時(shí)間變化及時(shí)均值和脈動(dòng)隨來風(fēng)風(fēng)速變化,該位置接近降落起點(diǎn)。由圖看出,該時(shí)均壓強(qiáng)盡管比起飛跑道上的要高,但是差值不是很大,不過壓強(qiáng)脈動(dòng)幅度卻明顯增加,且來風(fēng)風(fēng)速越大,壓強(qiáng)脈動(dòng)幅度越高;壓強(qiáng)隨著時(shí)間出現(xiàn)了接近周期性的大幅度變化特點(diǎn),周期接近10s,但來風(fēng)風(fēng)速對該周期影響不大。來風(fēng)風(fēng)速對該點(diǎn)垂向速度的影響非常明顯,當(dāng)然主要是對其時(shí)均值和脈動(dòng)幅度上。對所計(jì)算的四個(gè)工況,其時(shí)均值均為負(fù)值,且隨來風(fēng)風(fēng)速增加,具有先減小、后增加的趨勢;垂直速度脈動(dòng)幅度不僅明顯地大于時(shí)均值的絕對值,而且隨著來風(fēng)風(fēng)速具有增加的趨勢。無論來風(fēng)風(fēng)速多大,該點(diǎn)垂向速度隨著時(shí)間均出現(xiàn)了接近周期性的大尺度變化規(guī)律,但來風(fēng)風(fēng)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(cè)5m、距離艦尾90m、甲板高度2m位置處的壓強(qiáng)和垂向風(fēng)速隨著時(shí)間變化及時(shí)均值和脈動(dòng)隨來風(fēng)風(fēng)速變化,該位置接近降落跑道中間點(diǎn)。由圖看出,來風(fēng)風(fēng)速對該位置壓強(qiáng)的影響與圖5的基本一致,即來風(fēng)風(fēng)速對該點(diǎn)壓強(qiáng)影響的特點(diǎn)與著艦點(diǎn)差異不大,但是同一來風(fēng)風(fēng)速下的時(shí)均壓強(qiáng)略有減小,脈動(dòng)幅度也略有減小。來風(fēng)風(fēng)速對該點(diǎn)垂直速度的影響主要表現(xiàn)在時(shí)均值和脈動(dòng)幅度上,其時(shí)均值均為正值,且隨來風(fēng)風(fēng)速單調(diào)地增加,垂向速度的脈動(dòng)幅度小于其時(shí)均值,也隨來風(fēng)風(fēng)速單調(diào)地增大。與著艦點(diǎn)垂向速度變化特點(diǎn)相比,該垂向速度大尺度脈動(dòng)的周期有所增加,約為7s。來風(fēng)風(fēng)速變化沒有改變該垂向速度隨著時(shí)間出現(xiàn)的接近周期性的大尺度變化規(guī)律和周期值,只是當(dāng)來風(fēng)風(fēng)速較小時(shí),垂向速度一直保持正值,而來風(fēng)風(fēng)速較大時(shí),出現(xiàn)了瞬間負(fù)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(qiáng)與垂向風(fēng)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(cè)5m、距艦尾90m、甲板高2m處的壓強(qiáng)與垂向風(fēng)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(jié) 論

本文采用低速氣體流動(dòng)控制方程組和湍流大渦模擬方法,保持迎面來風(fēng)風(fēng)向不變,對不同來風(fēng)速度下航母低場甲板風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,得到如下結(jié)論:

(1) 來風(fēng)風(fēng)速對起飛跑道上方壓強(qiáng)的影響主要是其時(shí)均值,對其脈動(dòng)幅度的影響不大,且數(shù)值均較小,對壓強(qiáng)隨著時(shí)間呈均勻隨機(jī)脈動(dòng)變化的規(guī)律影響也不大。

(2)在起飛跑道的前半段,當(dāng)來風(fēng)風(fēng)速較小時(shí),其時(shí)均值絕對值比脈動(dòng)幅度大,而當(dāng)來風(fēng)風(fēng)速較大時(shí),其脈動(dòng)速度超過了時(shí)均值;在起飛跑道的后半段,無論來風(fēng)風(fēng)速大小如何,其時(shí)均值絕對值均比脈動(dòng)幅度大。

(3)在起飛跑道的大部分長度上,垂向速度的時(shí)均值和脈動(dòng)幅度并不隨著來風(fēng)風(fēng)速單調(diào)增加;越靠近起飛點(diǎn),出現(xiàn)下洗速度的時(shí)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(shí)間變化呈現(xiàn)均勻分布的脈動(dòng),而在起飛跑道的大部分長度上,垂向速度的大尺度脈動(dòng)隨著時(shí)間出現(xiàn)了接近周期性變化規(guī)律,來風(fēng)風(fēng)速大小對其變化周期影響不大。

(4) 來風(fēng)風(fēng)速對降落跑道上方壓強(qiáng)的時(shí)均值影響較大,對其脈動(dòng)幅度的影響也明顯,并出現(xiàn)了壓強(qiáng)大尺度脈動(dòng)隨著時(shí)間周期性變化的規(guī)律,隨著來風(fēng)風(fēng)速的增加,壓強(qiáng)的脈動(dòng)幅度增加。

(5) 在降落跑道的前半段,其時(shí)均值絕對值遠(yuǎn)比脈動(dòng)幅度小,且時(shí)均值多為負(fù)值,并不隨著來風(fēng)風(fēng)速增加單調(diào)變化,而其脈動(dòng)幅度卻隨著風(fēng)速單調(diào)增加;在起飛跑道的后半段,無論來風(fēng)風(fēng)速大小如何,其時(shí)均值絕對值均接近脈動(dòng)幅度,時(shí)均值和脈動(dòng)幅度均不隨著風(fēng)速單調(diào)變化。

(6)在整個(gè)降落跑道長度上,垂向速度隨著時(shí)間變化均出現(xiàn)了周期性規(guī)律,越靠近降落起點(diǎn),變化周期越小,出現(xiàn)下洗速度的時(shí)間越長,下洗速度也越大。來風(fēng)風(fēng)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(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)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

A