基于DES的艦船空氣尾流場(chǎng)特性分析

操戈，程捷，畢曉波，張志國(guó)，王先洲

1華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢4300742海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北武漢430064

基于DES的艦船空氣尾流場(chǎng)特性分析

操戈1，2，程捷1，畢曉波1，張志國(guó)1，王先洲1

1華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074
2海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北武漢430064

艦船上層建筑后方產(chǎn)生湍流尾流場(chǎng)會(huì)對(duì)艦載直升機(jī)的操縱產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。采用CFD方法對(duì)艦船空氣尾流場(chǎng)的特性進(jìn)行分析研究，突破了雷諾時(shí)均方法的局限性，使用分離渦模擬（DES）方法求解瞬態(tài)艦船尾流場(chǎng)，按照一定頻率采樣流場(chǎng)數(shù)據(jù)，得出的平均流場(chǎng)明顯比RANS方法的結(jié)果更貼近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了此方法的有效性。同時(shí)，運(yùn)用DES方法直觀地觀察尾流場(chǎng)的渦特性、流動(dòng)分離和再附著等特征，發(fā)現(xiàn)渦結(jié)構(gòu)及其不對(duì)稱性是艦船空氣尾流場(chǎng)的主要特征，渦強(qiáng)度在煙囪處突然增強(qiáng)，可能對(duì)直升機(jī)的操縱產(chǎn)生不利影響。

空氣尾流；艦船；分離渦模擬（DES）；渦

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.018.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：操戈，程捷，畢曉波，等.基于DES的艦船空氣尾流場(chǎng)特性分析［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（3）：48-54.

CAO Ge，CHENG Jie，BI Xiaobo，et al.Investigation on the numerical simulation of ship airwake based on DES［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（3）：48-54.

0　引　言

艦載直升機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)行動(dòng)至關(guān)重要的一部分，具有極高的戰(zhàn)術(shù)價(jià)值。艦船上層建筑是由一系列鈍體組合而成，艦船運(yùn)動(dòng)或者有風(fēng)作用時(shí)，上層建筑后方會(huì)產(chǎn)生不均勻的尾流場(chǎng)，流動(dòng)從機(jī)庫(kù)邊緣處分離，形成剪切層和低速回流區(qū)，導(dǎo)致飛行甲板上的流場(chǎng)在時(shí)間和空間上出現(xiàn)巨大的速度梯度。雖然直升機(jī)在艦船上起降已經(jīng)成為常規(guī)作業(yè)，但高度不穩(wěn)定的艦船尾流場(chǎng)仍是直升機(jī)飛行員需要面對(duì)的最危險(xiǎn)的環(huán)境。直升機(jī)旋翼與空氣尾流中的渦相互作用是導(dǎo)致其在艦上飛行遇險(xiǎn)的主要原因［1］，特別是在直升機(jī)降落的時(shí)候，需要穿過(guò)渦流和交叉橫向流動(dòng)區(qū)域［2］，直升機(jī)主旋翼產(chǎn)生的下洗與尾流場(chǎng)相互作用，使得旋翼受到的載荷發(fā)生變化，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也受到影響，飛行員的操作變得很困難［3］。為了提高艦載直升機(jī)的安全性，各國(guó)進(jìn)行了大量的研究工作。澳大利亞、加拿大、新西蘭、英國(guó)和美國(guó)共同建立的技術(shù)合作項(xiàng)目（TTCP）資助了多項(xiàng)艦船尾流場(chǎng)的研究，北約報(bào)告中也收錄了一大批關(guān)于艦船尾流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和仿真的研究報(bào)告。

Cheney和Zan等［4-5］對(duì)縮尺比為1∶60的SFS模型使用油膜成像方法測(cè)量了平均表面流場(chǎng)，使用煙霧示蹤的方法實(shí)現(xiàn)了離體流動(dòng)的可視化。在此基礎(chǔ)上，使用熱線風(fēng)速儀又對(duì)縮尺比為1∶100 的SFS2模型的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，沿著上層建筑和飛行甲板測(cè)量了一系列位置的平均速度和湍流統(tǒng)計(jì)值，同時(shí)還獲取了速度譜。

為了給仿真計(jì)算提供驗(yàn)證，Miklosovic等［6］對(duì)縮尺比為1∶25的美軍巡邏艇進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選取0°，15°和30°這3個(gè)艏向角，雷諾數(shù)為760萬(wàn)，使用十八孔探針對(duì)三維速度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。認(rèn)為艏向角的作用是將來(lái)流轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)與上層建筑大小量級(jí)相同的大渦，另外，在0°時(shí)來(lái)流的不穩(wěn)定性與研究面的位置無(wú)關(guān)，但30°時(shí)在剪切層分離并上升的區(qū)域形成了一個(gè)大的渦量極大帶。

Mora［7］在低速風(fēng)洞中使用粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)對(duì)護(hù)衛(wèi)艦?zāi)Ｐ蜕蠈咏ㄖ擦鲌?chǎng)進(jìn)行了研究。進(jìn)一步，作者使用聲學(xué)測(cè)速儀測(cè)量了實(shí)船飛行甲板上的流場(chǎng)，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比；Brownell等［8］對(duì)一艘108 ft長(zhǎng)的海軍訓(xùn)練艦的空氣尾流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，為CFD仿真提供了驗(yàn)證數(shù)據(jù)；Polsky［9］使用CFD方法對(duì)模型在90°橫向風(fēng)的作用下產(chǎn)生的不穩(wěn)定流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)模擬，發(fā)現(xiàn)研究此類流動(dòng)分離現(xiàn)象網(wǎng)格質(zhì)量非常關(guān)鍵。

陸超等［10-11］對(duì)LHA型艦縮比模型的艦面空氣流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)不同風(fēng)向角時(shí)的LHA氣流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行了比較分析；根據(jù)郜冶和劉長(zhǎng)猛［12］對(duì)SFS2模型的研究，在此類問(wèn)題中使用穩(wěn)態(tài)模型既能滿足計(jì)算精度要求又能節(jié)省計(jì)算時(shí)間，通過(guò)比較幾種不同湍流模型下的計(jì)算結(jié)果，作者認(rèn)為L(zhǎng)K和MMK模型較為合適。陳繼祥等［13］使用k-ω模型對(duì)一典型艦艇的空氣尾流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、甲板上方渦流結(jié)構(gòu)等，同時(shí)在風(fēng)洞中使用激光片光顯示系統(tǒng)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

對(duì)艦船空氣尾流場(chǎng)的CFD計(jì)算，國(guó)內(nèi)進(jìn)行的研究還不多見(jiàn)，并且多為穩(wěn)態(tài)計(jì)算，使用的是雷諾時(shí)均納維—斯托克斯（Reynold-Averaged Navier-Stokes，RANS）方法［14］。作為最常用的湍流模型方法，其以一個(gè)平均流動(dòng)波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理為基礎(chǔ)，因變量被分成一個(gè)平均部分和此平均部分的脈動(dòng)分量偏差。RANS的方程是：

式中，＜＞為平均部分，R=＜V′?V′＞為雷諾數(shù)應(yīng)力張量描述在平均流動(dòng)中典型的脈動(dòng)影響。在一個(gè)統(tǒng)計(jì)上的穩(wěn)定流動(dòng)中，求平均值可以看作對(duì)時(shí)間的平均值；雖然對(duì)于不穩(wěn)定的流動(dòng)，總體均值必須求出，但是所有的湍流流動(dòng)都是不穩(wěn)定的，事先預(yù)測(cè)平均流動(dòng)描述是否足夠精確來(lái)捕捉基本的流動(dòng)特性十分困難，同時(shí)，只從它的平均流動(dòng)中得到流動(dòng)詳細(xì)信息實(shí)際上不可能。

分離渦模擬（Detached Eddy Simulation，DES）是一種混合RANS-LES方法。在近壁面區(qū)域，湍流尺度很小，使用RANS模型進(jìn)行求解；在分離區(qū)域，湍流尺度較大，超過(guò)網(wǎng)格尺寸之后使用大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）模型進(jìn)行計(jì)算。因此，DES在對(duì)流場(chǎng)的解析上不如LES精細(xì)，但優(yōu)于RANS，在計(jì)算量上，DES也居于二者之間。DES基于流體中的獨(dú)立尺度，進(jìn)行低通濾波，能夠研究流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其適合空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算。對(duì)于艦船空氣尾流場(chǎng)的研究，DES能獲取流場(chǎng)隨時(shí)間變化的特性，將瞬時(shí)流場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間求平均亦可獲得平均流場(chǎng)信息。本文將采用DES研究艦船尾流場(chǎng)的瞬時(shí)特性，揭示流場(chǎng)的湍流特性，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證其精度和有效性。

1　DES方法的基本理論

DES方法包含Spalart-Allmaras模型、Realizable k-ω模型和SSTk-ω模型等。在DES模擬中，邊界層的處理使用非穩(wěn)態(tài)RANS模型，分離區(qū)域則使用LES方法。LES區(qū)域，一般與大尺度、不穩(wěn)定的湍流占重要地位的區(qū)域，即湍流核心聯(lián)系緊密，在這個(gè)區(qū)域中，DES直接等同于LES模型；在近壁區(qū)域，則等同于RANS模型。

DES模型特別適用于高雷諾數(shù)壁面流動(dòng)，這樣的流動(dòng)在近壁區(qū)域往往無(wú)法適用LES求解，而在DES中則使用RANS方法來(lái)解決這一問(wèn)題。在處理高雷諾數(shù)的空氣動(dòng)力學(xué)的外流場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，DES模型是一個(gè)很好的選擇。在DES模型中，湍流動(dòng)能擴(kuò)散項(xiàng)Yk被修改為［15］：

式中：β*為SST模型的一個(gè)常數(shù)；ρ為密度；k為紊流脈動(dòng)動(dòng)能；ω為能量耗散率；Cdes為DES模型中的校準(zhǔn)常數(shù)，值為0.61；Δmax為局部最大網(wǎng)間隙（Δx，Δy，Δz）；Lt為RANS模型的湍流尺度參數(shù)，

DES-SST模型還提供了“保護(hù)”邊界層不受限制的選項(xiàng)（延遲選項(xiàng)）。FDES根據(jù)式（3）進(jìn)行修正：

式中：FSST=0，F(xiàn)1，F(xiàn)2，其中F1，F(xiàn)2為SST模型的混合函數(shù)。

2　CFD計(jì)算過(guò)程的檢驗(yàn)

2.1計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

本文選用國(guó)際通用的計(jì)算模型SFS2［16］，SFS2由標(biāo)準(zhǔn)的幾何體組成，船艏為一個(gè)三棱柱，飛行甲板位于艉部，船長(zhǎng)l=455 ft，船寬b=45 ft，機(jī)庫(kù)高h(yuǎn)=20 ft。幾何外形如圖1所示，坐標(biāo)系x軸指向船艉、y軸指向右舷、z軸豎直向上。計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體，長(zhǎng)為9倍船長(zhǎng)，寬為4.5倍船長(zhǎng)，高為0.75倍船長(zhǎng)。通過(guò)劃分Y型網(wǎng)格可以解決艏部網(wǎng)格劃分問(wèn)題，艏部網(wǎng)格如圖2所示。

圖1　SFS2模型Fig.1　Geometrical representation of SFS2 model

圖2　船艏的Y型網(wǎng)格Fig.2　Y grid at bow

2.2網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

為驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性，使用3個(gè)不同數(shù)量的網(wǎng)格Gi（i=1，2，3），節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為200萬(wàn)、678萬(wàn)和820萬(wàn)，用RANS進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。本文的計(jì)算是針對(duì)孤立的SFS2模型，引用加拿大國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）對(duì)于該船型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［16］對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證（為與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)保持一致，模型縮尺比為1∶100），求解采用FLUENT的壓力求解器，使用二階壓力插值格式，對(duì)流項(xiàng)均采用三階格式，船體的邊界條件為無(wú)滑移（No-slip）的壁面，出口為壓力出口（Pressure-outlet），速度入口給定湍流強(qiáng)度為1%，長(zhǎng)度尺度為0.304 8 m，其他邊界條件均設(shè)置為無(wú)摩擦壁面。

在甲板長(zhǎng)度50%、高度與機(jī)庫(kù)平齊處取一條平行于y軸的直線，長(zhǎng)度為2倍船寬，讀取這條直線上各點(diǎn)速度在x軸方向的分量V與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，橫坐標(biāo)用船寬b無(wú)因次化，縱坐標(biāo)用無(wú)窮遠(yuǎn)處來(lái)流速度V0無(wú)因次化，結(jié)果如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.3　Grid independence evaluation atG1，G2andG3

當(dāng)y/b在-0.5～0.5之間（即飛行甲板的寬度）時(shí)，3種網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均有很大差別。推測(cè)是因?yàn)榇颂帉儆诨亓鲄^(qū)，流場(chǎng)復(fù)雜，在渦的影響下速度變化劇烈，因此RANS方法不能很好地預(yù)報(bào)此處的速度，這也說(shuō)明了使用更接近實(shí)際的湍流模型進(jìn)行模擬的必要性。比較3種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，G2與G3比較接近，G1與另2種差別較大。G2網(wǎng)格在船體上的網(wǎng)格大小是0.044（用船寬無(wú)因次化），飛行甲板到船后一段距離的流場(chǎng)是研究重點(diǎn)，網(wǎng)格加密到0.022。高度方向從底面到船體最高點(diǎn)網(wǎng)格大小為0.033，邊界層第1層網(wǎng)格高度為0.002，保證y+值在k-ε模型要求的范圍中。這說(shuō)明G2能夠適用于空氣尾流場(chǎng)的計(jì)算，因此在后續(xù)的研究中，使用G2網(wǎng)格。

由圖4和圖5可以清楚地看到流動(dòng)在上層建筑的前沿開(kāi)始發(fā)生分離，出現(xiàn)強(qiáng)烈的剪切，并且導(dǎo)致下游直到機(jī)庫(kù)處出現(xiàn)渦。從圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，在飛行甲板長(zhǎng)度的1/2處確實(shí)形成了一個(gè)巨大的渦結(jié)構(gòu)。從中可以看出，流動(dòng)在上層建筑處發(fā)生的分離大約經(jīng)過(guò)3h高度之后再附著。圖8顯示，在甲板1/2長(zhǎng)度的截面上形成的回流是三維的，y方向速度分量也從兩側(cè)向中間聚攏。該回流區(qū)的產(chǎn)生給穩(wěn)態(tài)計(jì)算預(yù)報(bào)流場(chǎng)帶來(lái)了難度，所以圖3中的計(jì)算結(jié)果均不能很好地貼近實(shí)驗(yàn)值。另一方面，穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果也不能讓我們仔細(xì)研究渦結(jié)構(gòu)的變化，因此，使用更高精度的模擬很有必要。

圖4　y=0截面上的速度云圖Fig.4　Velocity distribution at y=0

圖5　z=1.15h截面上的速度云圖Fig.5　Velocity distribution at z=1.15h

圖6　y=0截面上的流線圖Fig.6　Streamline distribution colored by velocity at y=0

圖7　船艉局部區(qū)域速度矢量圖Fig.7　Velocity vector distribution at stern

圖8　截面上速度的y方向矢量Fig.8　Velocity distribution in y direction at a certain section

3　基于DES的艦船空氣尾流場(chǎng)計(jì)算

3.1平均流場(chǎng)分析

根據(jù)文獻(xiàn)［15］中推薦的時(shí)間步長(zhǎng)以及文獻(xiàn)［17-18］中的計(jì)算結(jié)果，無(wú)因次化時(shí)間步長(zhǎng)選取dt=1.88×10-2（時(shí)間步長(zhǎng)使用來(lái)流速度V0和船寬b進(jìn)行無(wú)因次化）。同時(shí)，還對(duì) dt=3.76×10-2和dt=9.4×10-3進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，發(fā)現(xiàn)時(shí)間步長(zhǎng)的改變對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響微乎其微，所以按照推薦值進(jìn)行計(jì)算。在考慮迭代次數(shù)對(duì)結(jié)果的影響后選定每時(shí)間步迭代次數(shù)為10。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上計(jì)算了2 400個(gè)時(shí)間步之后開(kāi)始采樣流場(chǎng)信息。每4步輸出1次數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間求平均即可獲得DES下的平均流場(chǎng)信息。首先，將2.2節(jié)中直線上的速度與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。圖中，橫坐標(biāo)為y/b，縱坐標(biāo)為無(wú)因次速度大小。為了與RANS計(jì)算結(jié)果比較，圖10給出了RANS計(jì)算的速度分量。

比較圖9和圖10（圖中 u，v，w分別代表x，y，z軸方向）可以發(fā)現(xiàn)，DES顯著提高了x軸方向和z軸方向速度的精確度。圖9顯示，從甲板邊緣到中心線的寬度內(nèi)，x軸方向速度明顯下降，表明這里遭遇到了機(jī)庫(kù)后方的尾流，z軸方向上的速度也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，這說(shuō)明機(jī)庫(kù)頂上的分離流具有向下的特征。盡管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示出的微弱的不對(duì)稱性并沒(méi)有在CFD計(jì)算中表現(xiàn)出來(lái)，但總體來(lái)講DES計(jì)算結(jié)果與之吻合良好，這說(shuō)明DES計(jì)算適合處理艦船空氣尾流問(wèn)題。

圖9　DES計(jì)算平均速度Fig.9　Mean velocity at different monitoring posts using DES

圖10　RANS計(jì)算平均速度Fig.10　Mean velocity at different monitoring posts using RANS

分別在飛行甲板長(zhǎng)度的0%，25%，50%，75%，100%和125%處截取6個(gè)寬為2b、高為3h的截面（圖11），分別命名為map1～map6，各截面的平均速度云圖如圖12所示。從圖12可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)600個(gè)時(shí)間點(diǎn)的取樣，DES計(jì)算的平均流場(chǎng)可以反映流場(chǎng)整體特征，流場(chǎng)顯示出良好的對(duì)稱性。從飛行甲板往后上層建筑對(duì)流場(chǎng)的影響逐漸減弱，75%之后基本上只有甲板附近的速度有所降低。

圖11　截面示意圖Fig.11　Sketch ofmap1tomap6

圖12　各截面平均速度云圖Fig.12　Distribution of mean velocity at different monitoring surfaces

3.2瞬態(tài)流場(chǎng)分析

基于DES的瞬態(tài)分析，圖13給出了y=0和z=1.15h截面上某一時(shí)刻瞬態(tài)的無(wú)因次化速度云圖。從圖中可以看出，瞬態(tài)流場(chǎng)能反映湍流場(chǎng)不規(guī)律的特性。

圖13　y=0和z=1.15h截面瞬態(tài)的無(wú)因次化速度云圖Fig.13　Instantaneous non-dimensional velocity contours aty=0 and z=1.15h，respectively

下面，根據(jù)文獻(xiàn)［19］提供的方法判定渦核區(qū)域。其判定指標(biāo)為λ2。λ2是S2+Ω2的第二特征值，S和Ω分別為速度張力的對(duì)稱部分和不對(duì)稱部分。λ2＜0的地方表示該處有渦核存在，λ2越小，表示渦的強(qiáng)度越大。圖14示出了2個(gè)截面上的瞬態(tài)λ2云圖，圖15示出了 λ2=0的截面，顯示了船體表面上的渦核。從圖中可以看出，流動(dòng)發(fā)生分離之后形成了一系列的渦，且呈現(xiàn)出不對(duì)稱的特性。從上游到下游，渦的強(qiáng)度逐漸減小，但在遇到煙囪之后又突然增大。當(dāng)直升機(jī)在飛行甲板上煙囪高度處懸停時(shí)，從煙囪上脫落的渦可能對(duì)其有害。流動(dòng)在飛行甲板上從左右和上方一起向中間匯聚，在機(jī)庫(kù)后緣形成一個(gè)三維的氣泡，減小了后面的渦強(qiáng)度。總的來(lái)講，瞬態(tài)流場(chǎng)的主要特征是不對(duì)稱性和渦結(jié)構(gòu)。

圖14　y=0和z=1.15h截面瞬態(tài)λ2云圖Fig.14　Instantaneousλ2distribution at y=0 and z=1.15 h，respectively

圖15　船體表面上的渦核區(qū)域（λ2=0）Fig.15　Structure of vortex core（λ2=0）

4　結(jié)　論

本文基于DES對(duì)艦船空氣尾流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。數(shù)值模擬試驗(yàn)研究結(jié)果表明：

1）DES適用于艦船空氣尾流場(chǎng)的計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，與RANS相比能更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)機(jī)庫(kù)后方的流場(chǎng)。

2）渦結(jié)構(gòu)和不對(duì)稱性是艦船空氣尾流場(chǎng)的主要特征，流動(dòng)在飛行甲板上大約3h處再附著，而渦強(qiáng)度在煙囪處突然增強(qiáng)，可能對(duì)直升機(jī)的操縱產(chǎn)生不利影響。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.020.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

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Investigation on the numerical simulation of ship airwake based on DES

CAO Ge1，2，CHENG Jie1，BI Xiaobo1，ZHANG Zhiguo1，WANG Xianzhou1

1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 Wuhan Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Wuhan 430064，China

The superstructures of ships can generate different scales of vortices，a threat to the helicopter maneuvering.Aiming at the problem，the characteristics of the ship airwake is investigated in this paper with CFD method instead of the traditional Reynold-Averaged Navier-Stokes（RANS）method.In par?ticular，Detached Eddy Simulation（DES）method is adopted to investigate the transitional flow field. Through processing the transitional data，a mean flow field is obtained，which agrees well with the ex?perimental results，validating the effectiveness and accuracy of DES over RANS in solving ship airwake. Furthermore，by observing the transitional vortices，flow separation，and reattach of ship airwake with DES method，it is concluded that vortexes'asymmetry is the main feature in wake flow，and the vortical magni?tude sharply increases at the chimney，inducing a severe threat to the helicopter.

airwake；warship；Detached Eddy Simulation（DES）；vortex

U661.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.03.009

2015-06-10網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-5-31 11:04

操戈，男，1983年生，工程師。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)與建造

程捷，男，1990年生，博士生。研究方向：計(jì)算流體力學(xué)（CFD），流體力學(xué)。

E-mail：chengj5@rpi.edu

張志國(guó)（通信作者），男，1961年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：計(jì)算流體力學(xué)（CFD），流體力學(xué)。E-mail：zzg@hust.edu.cn